在穿戴式电子、5G时代与物联网兴起的时代背景下，可穿戴柔性传感器由于其自身特性对人体健康的监测与管理具有重大意义。其中，延展性、自黏附和自愈合能力与人体仿生学相契合，能够显著提高传感器的适用范围，便利性与稳定性。他们利用聚丙烯酰胺-壳聚糖双网络有机水凝胶作为新型氧气传感材料，制备出柔性氧气传感器，同时具备上述性能。在施加直流电压时的恒电位模式下，外界的氧气分子在该传感器的水凝胶-电极界面处参与电化学反应，使传感器表现出在氧气浓度升高时的正电流偏移现象，并可实现对外界环境与人体呼吸中的氧气浓度的实时监测。

本文亮点

2、可自愈合的氧气传感器能承受多种形变，并使传感性能机械可调。

3、该传感器可在各种极端环境条件下正常工作，如低温（-18℃以下）和高温（40℃以上）、干燥（11.3%相对湿度）和潮湿（90.5%相对湿度）环境，极大地拓宽了传感器的应用范围。

4、提出了一种基于电化学反应的机制来阐明离子导电有机水凝胶的氧气传感行为。

  氧气是人类的生命活动中最不可或缺的气体，通过参与糖类的有氧分解来给人体提供生命活动所需的能量，因此实现氧气的实时精准检测对人体健康管理具有重要意义。中山大学吴进课题组利用离子导电双网络水凝胶自身柔软可拉伸的特性，通过构建双电极化学电阻型结构，制备出了具有全浓度检测范围、良好线性度、低理论检测极限和高灵敏度的可拉伸、自愈合、自粘附的氧气传感器。这种本征可拉伸的传感器通过氢键相互作用，能直接粘附在多种基底包括人体皮肤上，与皮肤机械协调并具备其自愈合能力。利用浸泡盐和溶剂置换策略，通过改善有机水凝胶的内部结构，提升了其保湿抗冻能力，同时调控其机械性能，以实现与人体等使用对象的机械性能更好地契合。另外，提出了一种发生在水凝胶-电极界面处的电化学反应来解释离子导电型水凝胶基传感器对氧气的电学响应，为水凝胶基气体传感器提供了理论基础。最后，通过搭建测试平台实现了对外界环境之中以及人体呼吸过程中的氧气浓度的实时监测应用，体现了其作为可穿戴传感器在人体健康管理之中的实际应用价值。

1. 有机水凝胶的特性

  通过设计盐浸泡和溶剂置换策略在水凝胶中引入盐和多元醇，把水凝胶转化为有机水凝胶，可多维度地调控有机水凝胶的各类性能：例如，其冰点从-15℃降低至-120℃以下，对干燥环境的难受能力也有了明显的提升，保证了传感器长时间工作的稳定性。另外，传统水凝胶的高机械强度与良好的可拉伸性往往难以兼顾，通过调整盐浸泡和溶剂置换时间可平衡二者，获得弹性模量为94kPa、可承受1400%拉伸应变的有机水凝胶。 

图1. 聚丙烯酰胺-壳聚糖双网络有机水凝胶制备过程、材料表征与该有机水凝胶基氧气传感器的工作原理展示。

2. 气体传感机制与性能

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图2. 水凝胶基氧气传感器对氧气的传感性能。

3.自愈合与自粘附特性

图3. 有机水凝胶的自愈合与自粘附性能。

4. 不同形变、湿度与温度下的气敏性能

  系统研究了柔性可穿戴气体传感器在不同形变、湿度与温度的应用场景。有机水凝胶基氧气传感器在0～100%拉伸应变下的响应会随应变的增大而增大，同时响应/恢复时间则会相应地降低。即拉伸应变能提高传感器的气敏性能。这是因为，其一，有机水凝胶的应变导致自身电阻增大，响应基线下降，而电化学反应在水凝胶-电极界面处产生或消耗电子的速率变化不大，导致相对电流变化（响应）增大。其二，在拉伸过程中，有机水凝胶内部卷曲的聚合物链变直导致孔隙变大，促进了氧气在有机水凝胶中的扩散。其三，有机水凝胶的表面积随着应变的增加而增加，从而增强了对氧分子的吸附。

  另外，湿度与温度都会影响电化学反应的速率。在不同湿度的环境之下，传感器对1%浓度氧气的响应随湿度的增大（从11.3%到90.5%相对湿度）先升后降，在52.5% RH下达到最高；类似的，传感器对1%浓度氧气的响应也会随温度的升高（从-18℃到40℃）而先升后降，在20℃下达到最高。传感器的响应/恢复时间则会随湿度与温度的增大而降低。因此，通过集成应变、湿度与温度传感器，可以使有机水凝胶基氧气传感器在多种环境条件下正常工作，增加了其实际应用范围与价值。 

图4. 传感器在0%、25%、50%和100%拉伸应变状态下的氧传感性能。 

5. 气敏机制的验证

图6. 对氧气传感器工作机制的验证，以及对其他气体选择性的测试。

6. 实际应用

图7. 有机水凝胶基氧气传感器用于测试人体呼出气体

  原文链接：

  Self-healing, Self-adhesive and Stable Organohydrogel based Stretchable Oxygen Sensor with High-performance at Room Temperature

  Yuning Liang, Zixuan Wu, Yaoming Wei, Qiongling Ding, Kai Tao, Xi Xie, and Jin Wu*

  Nano-Micro Letters 14, 52(2022). 

  https://doi.org/10.1007/s40820-021-00787-0