中山大學/五邑大學：研發(fā)用于健康和環(huán)境監(jiān)測的抗?jié)穸雀蓴_、可拉伸水凝膠基無線氧氣傳感器

氧氣是生物生存或工業(yè)生產的基本物質，大氣氧含量或溶解氧（DO）也是健康和環(huán)境評估中的關鍵指標。呼吸氧含量或經皮氧分壓（tcPO2）可用于呼吸監(jiān)測和局部組織供氧的判斷，有望用于呼吸系統(tǒng)疾病、糖尿病足、外周動脈疾病、傷口愈合和感染等慢性疾病的診斷。傳統(tǒng)分析儀器或醫(yī)療設備體積龐大、價格昂貴、時效性差，而新興的可穿戴傳感器可實現準確、實時檢測的同時，還具有靈敏度高、輕量化、性價比高、機械順應好等優(yōu)點，極大地方便了各種信號采集。遺憾的是，目前主流的研究集中在監(jiān)測運動和如血壓、脈搏、心電圖、等生理信號上，對具有氧監(jiān)測功能的柔性傳感設備的研究相對匱乏。為此，迫切需要開發(fā)高性能、柔性的氧傳感器。

水凝膠已被證實具有優(yōu)異的氣體傳感能力（中山大學吳進課題組在水凝膠基柔性室溫氣濕敏傳感器方面的系列研究進展（ Nature Communication2023, 14, 5221; Advanced Functional Materials2023, 33，2300046；Nano-Micro Letters2022, 14, 52；Nano-Micro Letters2022, 14，183；Nano-Micro Letters2023, 15, 136；Materials Horizons2022, 9, 1921；SmartMat2023，4，e1141；SmartMat2023, 4, e1147; Small2021, 17, 2104997），但是其有豐富的親水官能團，使其對濕度自然敏感，甚至被開發(fā)為高性能濕度傳感器，進而嚴重干擾了其作為傳感器的可靠性。同時，疏水性材料摻雜雖然可降低濕度敏感度，但難以解決凝膠在溶液環(huán)境的離子泄露問題。考慮到這一點，最近，課題組提出了一種結構調控的透氣疏水Ecoflex彈性體薄膜裝策略，不僅可以解決水凝膠的脫水問題，而且賦予水凝膠基氧氣傳感器優(yōu)異的抗?jié)駭_和水下工作能力。實驗結果表明，彈性體薄膜的透氧性和防水性主要取決于其有效厚度。

通過調節(jié)彈性體薄膜的厚度和結構，傳感器可以適應監(jiān)測不同的氧氣濃度范圍。采用鹽模板法制備了多孔彈性體薄膜，所得的152微米厚的多孔彈性體薄膜封裝水凝膠器件同時表現出優(yōu)異的耐濕性和氧氣傳感性能，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% O2）、優(yōu)異的可重復性、選擇性和長期穩(wěn)定性。而較厚的實心彈性體薄膜有效降低了透過的O 2濃度從而延長使用壽命，適用于高濃度檢測。此外，自主設計的無線氧監(jiān)測系統(tǒng)在各種應用場景中的使用，包括經皮氧分壓（tcPO 2）檢測，呼吸監(jiān)測，水中溶解氧的評估。本工作為具有廣泛適應性的柔性可穿戴電子產品的制造提出了一種有前途的策略。