可穿戴傳感器能夠實現準確的實時檢測

在智能化發展的大趨勢下，安裝在機器人或人體上的可穿戴傳感器憑借在物聯網、環境保護、軟機器人以及個性化醫療等領域的廣泛應用而備受關注，它們極大地擴展了人類的感知能力。

與通常體積龐大、價格昂貴、時效性差的傳統分析儀器或醫療器械相比，這些新興的可穿戴傳感器具有靈敏度高、重量輕、成本低以及機械順應性等優點，能夠實現準確的實時檢測，促進了各種信號的采集。

氧氣是生物生存以及工業生產所必須的基本物質，大氣或溶解氧（DO）的檢測也是環境監測和健康檢測中的重要指標。呼吸氧或經皮氧分壓（tcPO2）的測量，可用于呼吸監測以及判斷局部組織氧供應，因此有望用于一些慢性疾病的無創診斷和康復，包括呼吸系統疾病、糖尿病足、外周動脈疾病、傷口愈合及感染等。

令人遺憾的是，目前關于個性化氧監測醫療器械的研究還比較缺乏，主流研究主要集中于運動監測，以及血壓、脈搏、心電圖、肌電圖等生理信號檢測。為了進一步擴大可穿戴設備的應用潛力，迫切需要開發高性能的柔性氧氣傳感器。

對于已有報道的大部分柔性傳感器，常用的構建策略是在聚合物基底上集成功能材料，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰亞胺等。為了更好地適應可穿戴應用，在這些器件中開發了一系列低溫甚至室溫工作的氣敏材料，如MXenes、金屬修飾半導體以及聚合物電解質等，以降低安全威脅和功耗。盡管在機械柔性方面進行了一定程度的優化，但由于基底材料與皮膚或組織之間的機械特性極度不匹配，這些器件的可拉伸性較差，并且無法很好地貼合人體。

更具挑戰性的是，這些現有柔性器件在透氣性和防水性之間存在權衡，這限制了它們的長期佩戴以及在潮濕和水性環境（水療或游泳等）中的應用。有鑒于此，對新型功能材料和復雜器件結構的進一步探索和設計，成為解決上述挑戰的有效手段。

近些年，由分散在水中的3D聚合物網絡組成的水凝膠，憑借其優異的機械順應性和導電性而受到廣泛研究。同時，特定組分或基團設計的水凝膠可以賦予其良好的粘附性、自修復能力和生物相容性，并且由于其網絡結構，在減薄后也可以獲得良好的氣體滲透性。因此，水凝膠被認為是各種生物醫學和柔性可穿戴應用的理想功能材料。

到目前為止，水凝膠作為傳感器、儲能裝置、表皮生物粘附層、組織粘合劑以及藥物釋放載體的巨大潛力已經逐步得到證實。

對于室溫氣體傳感器來說，抗濕度干擾能力，仍然是其實際應用的主要問題。水凝膠具有豐富的親水官能團，使其對濕度自然敏感，甚至已被開發為高性能濕度傳感器。為此，為了實現后續水凝膠氣體傳感器件的穩定運行，迫切需要開發一種通用的解決方案來減輕濕度干擾。

據麥姆斯咨詢報道，中山大學、西北工業大學和華南理工大學研究人員組成的研究團隊提出了一種可拉伸且環境穩定的氧氣傳感器，該傳感器由固態聚丙烯酰胺（PAM）/卡拉膠（CARR）水凝膠電解質、電極和透氧Ecoflex彈性體封裝膜組成，其中水凝膠和彈性體之間通過二苯甲酮處理實現強化學界面交聯，由此確保作為可穿戴電子器件的設備能夠適應各種變形而不會分層。由于液態水的表面張力以及聚合物分子對極性水分子較大的阻礙作用，彈性體薄膜封裝不僅可以解決水凝膠的脫水問題，還賦予器件優異的抗濕度干擾能力以及水下工作能力。

（a）多孔Ecoflex彈性體膜的制造過程示意圖，以及彈性體膜封裝水凝膠傳感器的組裝過程示意圖；（b）多孔彈性體膜照片和膜上微孔的光學顯微圖像；（c、d）多孔膜的氣體（蒸汽）滲透性和防水性；（e~g）可拉伸、透氧和耐水性賦予傳感器各種應用場景，如監測經皮氧分壓、呼吸狀態和水下溶解氧。

a）水凝膠氧氣傳感器黏附于手腕上的照片和熱成像圖，監測通過加熱片加熱前后的經皮氧分壓；（b）經皮氧分壓測量過程中傳感器的電流變化。

（e）左圖：嵌入柔性氧氣傳感器并將信號無線傳輸到手機的智能口罩示意圖；右圖：志愿者戴著智能口罩監測呼吸。（f~j）通過氧氣檢測和報警系統實時監測環境氧氣濃度，并在智能手機和計算機上顯示。

研究人員通過實驗結果表明，這種彈性體薄膜的透氧性和耐水性主要取決于其厚度。堅實而厚的彈性體層降低了氧氣的穿透效率，從而延長了器件的壽命，適用于高濃度檢測。

此外，研究人員通過鹽模板法設計了一種多孔彈性體薄膜，所得到的152 μm厚多孔彈性體薄膜封裝的水凝膠基器件，同時展現了卓越的耐濕性和傳感性能，包括高靈敏度（0.355%/ppm）、低檢測限（ppm級）、大檢測范圍（從5 ppm到90%氧氣）、優異的重復性、選擇性以及長期穩定性。此外，通過調節彈性體薄膜的厚度和結構，這款器件可以監測不同的氧氣濃度范圍。

最后，研究人員展示了這款氧氣傳感器及相應自主設計的無線氧氣監測系統，及其在各種應用場景中的使用，包括人體皮膚表面的無創tcPO2檢測、呼吸監測、大氣含氧量和水中溶解氧的評估?？傮w來說，這項研究成果為制造具有廣泛適應性的可穿戴電子產品提供了一種很有前景的策略。

審核編輯：彭菁