清华大学张莹莹团队《Nat. Commun.》：用于人体健康管理的自供能化学电湿度传感器

2022-09-18 来源：高分子科技

柔性电子器件在健康管理和人机交互领域发挥着重要作用，具有彻底改变人类生活方式的巨大潜力。然而，大多数柔性电子设备需额外配备供能装置，不可避免的增加系统故障概率，影响穿戴舒适性和美观性。因此，开发集成了能量供给的柔性电子器件是很有必要的。过去十年间，研究人员开发了一系列基于摩擦电、压电、热电和湿度发电原理的自供电传感器，分别通过摩擦、压力、温度梯度、湿度梯度驱动。与上述原理不同，通常用于电池的金属—空气氧化还原反应可以在无需任何外界刺激的情况下将化学能转化为电能，无需任何外界刺激驱动，具有高稳定性的优势。因其反应速率受外界环境调控，具有应用于自供电传感器的潜力。

清华大学化学系张莹莹团队以丝素蛋白和氧化石墨烯为原材料，基于金属—空气氧化还原反应，制备了一种自供能化学电湿度（CEH）传感器，该传感器展示了在健康管理和远程医疗中的应用潜力。该CEH传感器由夹在石墨纸和铝箔阴阳两极间的氧化石墨烯/丝素蛋白/溴化锂凝胶电解质构成 (图1)。由于氧化石墨烯和丝素蛋白具有丰富的亲水基团，同时溴化锂具有良好的吸湿性，该结构的输出电流对湿度高度敏感，因此可以用作湿度传感器。其在较宽的湿度范围（相对湿度：11%–84%）内展现出快速响应（1.05 s）、快速恢复（0.80 s）和高灵敏度（0.09 μA/s/1%）的优异性能（图2）。基于CEH传感器的优异性能，研究人员设计开发了一种集呼吸监测—诊断—治疗于一体的智能系统以及非接触式人机交互界面，展示了该CHE传感器在安全防护、健康监测和远程治疗中的潜在应用（图3和图4）。

图1 CEH传感器的制备过程及潜在应用。a,b ) 氧化石墨烯/丝素蛋白/溴化锂墨水的制备过程、氧化石墨烯和丝素蛋白之间的相互作用、结构表征。c) CEH传感器的示意图和光学照片。d)工作原理。e)在健康管理中的潜在应用。

图2 CEH传感器的传感性能及传感原理。a-b)传感器在干燥空气和不同湿度空气切换时的电学响应。c)循环稳定性。d)响应时间和恢复时间。e)与其他类型传感器的性能对比。f)工作原理示意图，高湿度显著增加凝胶电解质的离子迁移速率。

图3 CEH传感器在呼吸监测、远程医疗、呼吸睡眠暂停综合征（SAS）的诊断和治疗中的应用。a)传感器检测到的不同呼吸状态下的信号。b)所采集的患有睡眠暂停综合征患者的典型呼吸信号。c) 基于CEH传感器的远程医疗和一体化呼吸监测诊断治疗系统示意图。d) 通过无线网络将患者呼吸数据实时上传到远程终端的光学照片。e) 集成了CEH传感器、蜂鸣器和发光二极管的智能面罩，用于呼吸睡眠暂停综合征的诊断和预警。f) 集成了CEH传感器和呼吸机的呼吸睡眠暂停综合征诊疗系统。

图4 CEH传感器在非接触式人机交互和疾病预防中的应用。a) 非接触式传感测试示意图。b-c)传感器在水面以上不同距离的电学信号响应。d-i) 基于CEH传感器的非接触式人机交互可以有效避免病毒传播，与之对比传统的接触式传感器会显著增加病毒传播风险。

这项研究以 “Humidity-sensitive chemoelectric flexible sensors based on metal-air redox reaction for health management” 为题发表在《Nature Communications》上（Nat. Commun., 2022, 13, 5416）。清华大学化学系2018级直博生李硕为该论文的第一作者。合作者包括清华大学化学系邱新平教授和北京体育大学运动与健康研究院宋亚锋教授。该研究得到了国家自然科学基金委和国家重点基础研究发展计划的支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33133-y

通讯作者简介

张莹莹，清华大学化学系长聘教授，博士生导师，课题组主要研究兴趣是面向生命健康监测的纳米碳材料与、丝蛋白材料及两者的功能复合材料，发展其在柔性电子器件、智能织物和特种纤维领域的应用。Accounts of Materials Research主题编辑，Matter、Advanced Materials Technologies、Cell Reports Physical Science、功能材料与器件等期刊编委。课题组主页：www.yyzhanggroup.com

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（责任编辑：xu）

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