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清華大學張瑩瑩團隊《Nat. Commun.》:用于人體健康管理的自供能化學電濕度傳感器
2022-09-18  來源:高分子科技

  柔性電子器件在健康管理和人機交互領域發揮著重要作用,具有徹底改變人類生活方式的巨大潛力。然而,大多數柔性電子設備需額外配備供能裝置,不可避免的增加系統故障概率,影響穿戴舒適性和美觀性。因此,開發集成了能量供給的柔性電子器件是很有必要的。過去十年間,研究人員開發了一系列基于摩擦電、壓電、熱電和濕度發電原理的自供電傳感器,分別通過摩擦、壓力、溫度梯度、濕度梯度驅動。與上述原理不同,通常用于電池的金屬—空氣氧化還原反應可以在無需任何外界刺激的情況下將化學能轉化為電能,無需任何外界刺激驅動,具有高穩定性的優勢。因其反應速率受外界環境調控,具有應用于自供電傳感器的潛力。


  清華大學化學系張瑩瑩團隊以絲素蛋白和氧化石墨烯為原材料,基于金屬—空氣氧化還原反應,制備了一種自供能化學電濕度(CEH)傳感器,該傳感器展示了在健康管理和遠程醫療中的應用潛力。該CEH傳感器由夾在石墨紙和鋁箔陰陽兩極間的氧化石墨烯/絲素蛋白/溴化鋰凝膠電解質構成 (1)。由于氧化石墨烯和絲素蛋白具有豐富的親水基團,同時溴化鋰具有良好的吸濕性,該結構的輸出電流對濕度高度敏感,因此可以用作濕度傳感器。其在較寬的濕度范圍(相對濕度:11%–84%)內展現出快速響應(1.05 s)、快速恢復(0.80 s)和高靈敏度(0.09 μA/s/1%)的優異性能(圖2)。基于CEH傳感器的優異性能,研究人員設計開發一種集呼吸監測診斷治療一體的智能系統以及非接觸式人機交互界面,展示了CHE傳感器安全防護、健康監測和遠程治療中的潛在應用(圖3和圖4)。


1 CEH傳感器的制備過程及潛在應用。a,b ) 氧化石墨烯/絲素蛋白/溴化鋰墨水的制備過程、氧化石墨烯和絲素蛋白之間的相互作用、結構表征。c) CEH傳感器的示意圖和光學照片。d)工作原理。e)在健康管理中的潛在應用。


2 CEH傳感器的傳感性能及傳感原理。a-b)傳感器在干燥空氣和不同濕度空氣切換時的電學響應。c)循環穩定性。d)響應時間和恢復時間。e)與其他類型傳感器的性能對比。f)工作原理示意圖,高濕度顯著增加凝膠電解質的離子遷移速率。


3 CEH傳感器在呼吸監測、遠程醫療、呼吸睡眠暫停綜合征(SAS)的診斷和治療中的應用。a)傳感器檢測到的不同呼吸狀態下的信號。b)所采集的患有睡眠暫停綜合征患者的典型呼吸信號。c) 基于CEH傳感器的遠程醫療和一體化呼吸監測診斷治療系統示意圖。d) 通過無線網絡將患者呼吸數據實時上傳到遠程終端的光學照片。e) 集成了CEH傳感器、蜂鳴器和發光二極管的智能面罩,用于呼吸睡眠暫停綜合征的診斷和預警。f) 集成了CEH傳感器和呼吸機的呼吸睡眠暫停綜合征診療系統。


4 CEH傳感器在非接觸式人機交互和疾病預防中的應用。a) 非接觸式傳感測試示意圖。b-c)傳感器在水面以上不同距離的電學信號響應。d-i) 基于CEH傳感器的非接觸式人機交互可以有效避免病毒傳播,與之對比傳統的接觸式傳感器會顯著增加病毒傳播風險。


  這項研究以 “Humidity-sensitive chemoelectric flexible sensors based on metal-air redox reaction for health management” 為題發表在《Nature Communications》上Nat. Commun., 2022, 13, 5416。清華大學化學系2018直博李碩為該論文的第一作者。合作者包括清華大學化學系邱新平教授和北京體育大學運動與健康研究院宋亞鋒教授。該研究得到了國家自然科學基金委和國家重點基礎研究發展計劃的支持。


  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-33133-y


通訊作者簡介

張瑩瑩,清華大學化學系長聘教授,博士生導師,課題組主要研究興趣是面向生命健康監測的納米碳材料與、絲蛋白材料及兩者的功能復合材料,發展其在柔性電子器件、智能織物和特種纖維領域的應用。Accounts of Materials Research主題編輯,Matter、Advanced Materials Technologies、Cell Reports Physical Science、功能材料與器件等期刊編委。課題組主頁:www.yyzhanggroup.com

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