福州大學：研究環境穩定可拉伸有機水凝膠濕度傳感器，用于高靈敏呼吸監測

水凝膠在實際使用過程中面臨的另一個問題是機械耐久性，水凝膠在機械損傷后會嚴重影響其力學性能，缺口的敏感性通常使其無法正常工作。MXene/LiCl/PAAm/PVA有機水凝膠具有優異的機械延展性，并通過有效的能量耗散表現出缺口不敏感性。可以有效地抵抗缺口損傷，實驗和仿真結果表明，水凝膠在機械損傷后能有效耗散能量。水凝膠在高溫和低溫下長時間放置后仍具有優異的力學性能。有機水凝膠展現出低的結晶峰，優異的防凍性能是由于甘油與水和無機鋰鹽之間形成氫鍵的協同作用。室溫下保存的有機水凝膠幾乎沒有重量變化，證明了MXene/LiCl/PAAm/PVA有機水凝膠具有良好的環境穩定性，這對于水凝膠的實際長期使用至關重要。

實驗結果表明，濕度傳感器的靈敏度曲線可以劃分為兩個線性區域（S1: 40-70% RH, S2: 70-85% RH）。在70 ~ 85% RH的高濕范圍內，其響應值高達-103.4%/% RH，具有較高的靈敏度和良好的線性關系。在40% RH和70% RH之間測試了濕度連續變化下濕度傳感器的循環穩定性。水凝膠濕度傳感器在多次循環中表現出穩定的電阻響應，表明其具有良好的動態響應和穩定性。MXene/LiCl/PAAm/PVA水凝膠的潛在濕度傳感機理是含有甘油和LiCl的水凝膠具有優異的保濕性和顯著的捕水能力。MXene表面富含親水性基團，吸附的水分子與MXene層上的官能團之間會形成氫鍵，導致層間距變大，電阻變化。對MXene/LiCl/PAAm/PVA水凝膠在高濕環境下具有快速的水捕獲和解吸能力。該傳感器在99%應變下對不同濕度水平仍有響應。并且顯示了非接觸式手指檢測的巨大潛力。

MXene/LiCl/PAAm/PVA有機水凝膠傳感器對通過鼻子和嘴的氣流進行監測，觀察到呼氣時電阻的急劇變化，并顯示出快速的響應時間。MXene/LiCl/PAAm/PVA有機水凝膠濕度傳感器有著寬的有效工作范圍，在不同工作距離下均表現出優異的電阻響應性。對不同受試者的呼吸反應曲線。受性別、體型、年齡、健康狀況等因素的影響，不同的人呼吸頻率不同。易于區分的反應曲線有助于進一步分析不同受試者的呼吸曲線。MXene/LiCl/PAAm/PVA濕度傳感器還可以監測不同運動強度下的不同呼吸狀態。不同的運動強度會導致呼吸頻率和呼吸深度的變化。這些結果表明，濕度傳感器可以實時反饋不同狀態下的呼吸狀況，可以對運動過程中發生的呼吸相關疾病的潛在危險進行預警。

睡眠呼吸暫停的發生有時會危及生命，實時監測睡眠過程尤為重要。水凝膠傳感器放置在被試口腔上時，可以看到正常呼吸呈現出規律、可重復、平滑的電信號響應。當受試者屏住呼吸模擬呼吸暫停時，觀察到一條近乎平坦的電曲線，表明存在睡眠呼吸暫停。該水凝膠傳感器可以監測呼吸過程中胸部/腹部機械運動的變化。通過將MXene/LiCl/PAAm/PVA水凝膠置于Ni泡沫和石墨烯紙的兩個電極之間組裝超級電容器。通過同時輸出電壓和電阻信號，通過不同部位的不同信號相互印證，監測結果更加準確。以上實驗結果表明，該傳感器可以檢測到人體呼吸過程中的不同部位，對疾病的早期診斷具有重要意義，在簡單、實時、快速監測人體健康方面顯示出巨大的潛力。

總結：作者采用LiCl與MXene協同作用，構建了高靈敏環境穩定的有機水凝膠濕度呼吸傳感器。該傳感器具有優異的力學性能和濕度傳感性能，在水凝膠濕度傳感器領域應用中展現出極大的潛力，對醫療領域可穿戴電子設備的發展具有重要意義。

來源：傳感器專家網