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近年來，福州大學(xué)賴躍坤教授團(tuán)隊(duì)一直致力于仿生特殊浸潤性材料設(shè)計(jì)構(gòu)建及多相分離和可穿戴傳感器件方面工作研究，特別是水下和濕環(huán)境下的高效凝霧吸濕集水材料或防水防污傳感器件的長效運(yùn)動(dòng)監(jiān)測及靈敏預(yù)警。
濕度傳感器作為一種可穿戴式呼吸監(jiān)測設(shè)備受到了廣泛關(guān)注。呼吸在維持生命和健康中起著至關(guān)重要的作用，濕度作為呼吸的指標(biāo)，通過、非接觸的濕度監(jiān)測可以快速、方便地評估個(gè)人健康體征。然而，傳統(tǒng)的濕度傳感器在靈活性、靈敏度和耐用性方面仍然存在問題，因此迫切需要開發(fā)具有高靈敏度、高拉伸性和耐環(huán)境性的濕度傳感器作為呼吸監(jiān)測應(yīng)用。
為解決這一問題，福州大學(xué)賴躍坤教授團(tuán)隊(duì)以（PVA）和聚丙烯酰胺（PAAm）作為水凝膠骨架材料，利用吸濕性能的LiCl鹽與MXene的協(xié)同作用，構(gòu)建了一種高靈敏環(huán)境穩(wěn)定的有機(jī)水凝膠濕度傳感器。該傳感器具有拉伸性高（>3000%）、靈敏度高（-103.4%/% RH）、濕度監(jiān)測范圍寬（40% ~ 85% RH）、響應(yīng)速度快（響應(yīng)時(shí)間0.165 s/恢復(fù)時(shí)間0.248 s）等優(yōu)異性能，在基于水凝膠濕度傳感器領(lǐng)域應(yīng)用中展現(xiàn)出極大的潛力。
【用于呼吸監(jiān)測的超高靈敏度可拉伸有機(jī)水凝膠濕度傳感器】 這樣研究工作中以MXene納米片作為濕度傳感材料、LiCl作為吸濕材料，丙烯酰胺單體和作為水凝膠雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。MXene納米材料具有較大的比表面積、豐富的表面官能團(tuán)和優(yōu)異的金屬導(dǎo)電性，在濕度傳感領(lǐng)域表現(xiàn)出快速的響應(yīng)性和廣闊的濕度傳感潛力。水分子的吸附/解吸作用會(huì)影響MXene片間的層間距。隨著水分子的吸附，水分子與MXene表面官能團(tuán)之間形成氫鍵，MXene片層之間的距離趨于增大，電阻也隨之增大，使得MXene材料具有濕度傳感能力。
水凝膠在實(shí)際使用過程中面臨的另一個(gè)問題是機(jī)械耐久性，水凝膠在機(jī)械損傷后會(huì)嚴(yán)重影響其力學(xué)性能，缺口的敏感性通常使其無法正常工作。MXene/LiCl/PAAm/PVA有機(jī)水凝膠具有優(yōu)異的機(jī)械延展性，并通過有效的能量耗散表現(xiàn)出缺口不敏感性?？梢杂行У氐挚谷笨趽p傷，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，水凝膠在機(jī)械損傷后能有效耗散能量。水凝膠在高溫和低溫下長時(shí)間放置后仍具有優(yōu)異的力學(xué)性能。有機(jī)水凝膠展現(xiàn)出低的結(jié)晶峰，優(yōu)異的防凍性能是由于甘油與水和無機(jī)鋰鹽之間形成氫鍵的協(xié)同作用。室溫下保存的有機(jī)水凝膠幾乎沒有重量變化，證明了MXene/LiCl/PAAm/PVA有機(jī)水凝膠具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性，這對于水凝膠的實(shí)際長期使用至關(guān)重要。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，濕度傳感器的靈敏度曲線可以劃分為兩個(gè)線性區(qū)域（S1: 40-70% RH, S2: 70-85% RH）。在70 ~ 85% RH的高濕范圍內(nèi)，其響應(yīng)值高達(dá)-103.4%/% RH，具有較高的靈敏度和良好的線性關(guān)系。在40% RH和70% RH之間測試了濕度連續(xù)變化下濕度傳感器的循環(huán)穩(wěn)定性。水凝膠濕度傳感器在多次循環(huán)中表現(xiàn)出穩(wěn)定的電阻響應(yīng)，表明其具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。MXene/LiCl/PAAm/PVA水凝膠的潛在濕度傳感機(jī)理是含有甘油和LiCl的水凝膠具有優(yōu)異的保濕性和顯著的捕水能力。MXene表面富含親水性基團(tuán)，吸附的水分子與MXene層上的官能團(tuán)之間會(huì)形成氫鍵，導(dǎo)致層間距變大，電阻變化。對MXene/LiCl/PAAm/PVA水凝膠在高濕環(huán)境下具有快速的水捕獲和解吸能力。該傳感器在99%應(yīng)變下對不同濕度水平仍有響應(yīng)。并且顯示了非接觸式手指檢測的巨大潛力。
MXene/LiCl/PAAm/PVA有機(jī)水凝膠傳感器對通過鼻子和嘴的氣流進(jìn)行監(jiān)測，觀察到呼氣時(shí)電阻的急劇變化，并顯示出快速的響應(yīng)時(shí)間。MXene/LiCl/PAAm/PVA有機(jī)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(xiàn)出優(yōu)異的電阻響應(yīng)性。對不同受試者的呼吸反應(yīng)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(qū)分的反應(yīng)曲線有助于進(jìn)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(jiān)測不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下的不同呼吸狀態(tài)。不同的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致呼吸頻率和呼吸深度的變化。這些結(jié)果表明，濕度傳感器可以實(shí)時(shí)反饋不同狀態(tài)下的呼吸狀況，可以對運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生的呼吸相關(guān)疾病的潛在危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。
睡眠呼吸暫停的發(fā)生有時(shí)會(huì)危及生命，實(shí)時(shí)監(jiān)測睡眠過程尤為重要。水凝膠傳感器放置在被試口腔上時(shí)，可以看到正常呼吸呈現(xiàn)出規(guī)律、可重復(fù)、平滑的電信號(hào)響應(yīng)。當(dāng)受試者屏住呼吸模擬呼吸暫停時(shí)，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(jiān)測呼吸過程中胸部/腹部機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(gè)電極之間組裝超級(jí)電容器。通過同時(shí)輸出電壓和電阻信號(hào)，通過不同部位的不同信號(hào)相互印證，監(jiān)測結(jié)果更加準(zhǔn)確。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)時(shí)、快速監(jiān)測人體健康方面顯示出巨大的潛力。
總結(jié)：作者采用LiCl與MXene協(xié)同作用，構(gòu)建了高靈敏環(huán)境穩(wěn)定的有機(jī)水凝膠濕度呼吸傳感器。該傳感器具有優(yōu)異的力學(xué)性能和濕度傳感性能，在水凝膠濕度傳感器領(lǐng)域應(yīng)用中展現(xiàn)出極大的潛力，對醫(yī)療領(lǐng)域可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展具有重要意義。
來源：傳感器專家網(wǎng)
