可穿戴式柔性多模態(tài)傳感器在反映人體健康狀況方面有著至關重要的作用?？纱┐鱾鞲衅骷夹g在現(xiàn)代科技領域占據(jù)重要地位，但傳統(tǒng)傳感器功能單一，無法滿足復雜的監(jiān)測需求。多模態(tài)傳感雖有嘗試，但現(xiàn)有方法難以適應小型化和集成化趨勢。本研究旨在開發(fā)一種新型傳感器，實現(xiàn)對多種信號的同步精準監(jiān)測，為可穿戴技術發(fā)展提供新方向。

近日，魯東大學陳雪葉教授團隊在一區(qū)TOP期刊《Chemical Engineering Journal》，IF=13.3,發(fā)表名為“A novel dual-mode paper fiber sensor based on laser-induced graphene and porous salt-ion for monitoring humidity and pressure of human”的論文。研究團隊利用激光誘導石墨烯的特性，結合多孔紙纖維的優(yōu)勢，制備出了柔性可穿戴雙模濕度/壓力傳感器。該制備方法不受任何條件限制，具有廣泛的適用性。

該傳感器的紙纖維具有多孔性，其豐富的羥基基團為后續(xù)反應提供了基礎條件。激光誘導石墨烯以納米片結構嵌入紙纖維孔隙中，碳納米管和石墨烯在羧甲基纖維素的作用下實現(xiàn)物理交聯(lián)。這種獨特的結構組合形成了穩(wěn)定的紙纖維膜，構成了壓力傳感的核心架構。當外部壓力施加于傳感器表面時，紙纖維孔隙中的碳納米管受到擠壓。此時，碳納米管會形成團聚結構，這些團聚體相互接觸并與電極建立連接，從而構建起導電通路。隨著壓力的不斷增加，電極與碳納米管之間的接觸面積逐漸增大，導電通路不斷增多且更加穩(wěn)定。這一過程導致電流傳導更加順暢，電阻發(fā)生變化，進而產(chǎn)生壓力敏感信號。其原理基于材料的壓阻特性，即壓力改變了導電材料的微觀結構，從而影響其電阻值，使得傳感器能夠敏銳地感知壓力變化。

與此同時分布在纖維孔隙內(nèi)的離子粒子在濕度傳感中起著關鍵作用。這些離子能夠自由穿梭于由石墨烯和紙纖維構成的孔隙網(wǎng)絡中。紙纖維中的羥基等親水官能團與離子協(xié)同作用，對空氣中的水分子具有很強的捕獲能力。當環(huán)境中存在一定濕度時，水分子被吸引并進入纖維孔隙。激光誘導石墨烯的片狀結構不僅增強了整體結構的韌性，還為離子和水分子的傳輸提供了良好的支撐。進入孔隙的水分子在離子的協(xié)助下，向濕度敏感電極遷移。在濕度敏感電極處，水分子發(fā)生解離，產(chǎn)生氫離子等帶電粒子。這些帶電粒子參與化學反應，導致電極表面的電荷分布發(fā)生變化，從而產(chǎn)生濕度敏感信號。該信號通過電極傳導，實現(xiàn)了對濕度的監(jiān)測。為了防止壓力和濕度信號在測量過程中相互干擾，研究人員采用了獨特的電極結構設計。將濕度敏感和壓力敏感電極層垂直分離，使得兩種信號的傳輸路徑互不影響。濕度敏感電極專注于捕捉濕度相關的電化學信號，而壓力敏感電極則主要響應壓力引起的導電通路變化。這種垂直分離的結構確保了壓力信號和濕度信號能夠獨立產(chǎn)生和傳輸。在傳感器工作時，壓力信號沿著壓力敏感電極傳導，其大小和變化僅與外部壓力對傳感膜的作用相關；濕度信號則通過濕度敏感電極傳導，其產(chǎn)生源于水分子在濕度敏感電極處的化學反應。兩者的傳輸路徑和產(chǎn)生機制完全不同，從而有效地實現(xiàn)了信號解耦，保證了傳感器能夠準確、穩(wěn)定地同時監(jiān)測壓力和濕度

圖文部分導讀

圖1：（a） 壓力和濕度傳感器-FLCT 工作機構的示意圖，（b） 結構顯示，（c） 激光誘導石墨烯和激光加工的 PMMA 模板，（d） 應用示意圖，以及 （e） 實驗制備過程。

圖2：性能表征 （a） 等效電路 （b） 不同紙張含量的伏安特性曲線 （c） LIG 和紙張的 XRD 表征 （d） LGTP 和無 LIG 的 LGTP 的 XRD 表征 （e） 不同放大倍率下雙模傳感薄膜的 SEM 圖像

圖3：運動監(jiān)測 （a） 臉頰泡彩 （b） 和 （c） 雙擊和單擊 （d） 咳嗽 （e） 連接到人體的傳感器 （f） 握緊拳頭 （g） 運動應用演示 （h） 拿著燒杯 （i） 模擬摩斯電碼

小結

本研究提出的雙模態(tài)碳紙纖維傳感器（LGTP）創(chuàng)新性地結合了水合電化學性質(zhì)和壓阻原理，通過精心設計的結構和材料組合，實現(xiàn)了濕度和壓力的雙監(jiān)測功能。該傳感器具有高靈敏度（4.2KPa?1）、快速響應（300ms）、良好恢復（200ms）、寬線性范圍（19.6Pa - 39.2KPa）和高線性度（R12 = 0.94，R22 = 0.99）等顯著優(yōu)點。在濕度監(jiān)測方面，對高濕度氣體響應敏感且具有良好的抗串擾能力；在人體健康監(jiān)測應用中，能夠準確監(jiān)測呼吸率、體表水分蒸發(fā)和運動狀態(tài)等多種生理參數(shù)，與人體皮膚緊密貼合，在長時間佩戴過程中保持穩(wěn)定性能。這一研究成果為患者康復護理、健康管理和運動監(jiān)測等領域提供了強有力的技術支持，為未來可穿戴傳感器的發(fā)展提供了重要的參考范例，具有廣闊的應用前景和重要的科學價值。

全文鏈接：

10.1016/j.cej.2024.158184

來源：高分子科學前沿

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網(wǎng)址: 魯東大學陳雪葉教授團隊CEJ：基于激光誘導石墨烯用于人體健康監(jiān)測的濕度/壓力雙模傳感器 http://m.u1s5d6.cn/newsview205258.html