中山大学吴进 AFM：自供能可穿戴的水凝胶贴片用于超灵敏气体检测

2023-03-14 来源：高分子科技

在迈向高度集成和智能化的物联网（IoT）发展趋势中，无处不在的传感器是信息收集转换的开端，但大量分布式的传感器不仅需要消耗大量的能源，当使用传统硬质电池的时候还会损失穿戴式系统的柔性和可拉伸性，且电池需要经常更换。在绿色发展的趋势下，传感器朝着低功耗甚至自供能的方向发展。可穿戴的健康监测传感器和人工智能传感系统（电子皮肤、感受忆阻器、人工神经元和可植入传感器等）因为可以实时、无线地评估个人监控状况及疾病风险和潜在环境危害等，在消费电子和医疗保健电子领域迅速兴起和普及。

特别是对于NO₂等有害气体的监控十分重要，人体长期暴露于微量的NO₂环境中会对呼吸系统造成不良影响，如哮喘、肺癌等。为了解决这些问题，最近发展出基于摩擦纳米发电效应和光伏效应的自供能气体传感器，但它们的性能都不如传统的气体传感器，此外，这些自供能传感器需要在振动或特定光照中收集能源，从而限制了它们的应用。因此，需要开发一种更加通用的方法来实现自供能和高性能的气体传感器。

中山大学光电材料与技术国家重点实验室吴进课题组提出了一种基于气体自发反应的电化学自供能水凝胶基气体传感器，并利用双亲性的三氟甲磺酸离子（OTf^-）在水凝胶表面构筑贫水的内亥姆霍兹层（H₂O-poor IHL）调节NO₂气体的反应路径，极大地提升了室温气体传感器的灵敏度。实现超高的敏感度(1.92%/ppb)、线性度(R²=0.999)、极低的理论检测限(0.1 ppb)以及出色的选择性，并且能够零度以下和高湿度的环境中正常运作。此外传感器基于Zn-Zn(OTf)₂/PAM-Carbon结构可以在反向充电程序中修复被氧化的阳极，为延长电化学气体传感器的寿命和稳定性提供了新的思路。还展示了微型化的自供能传感器用于无线和远程NO₂监测。该研究以题为“A Self-Powered, Rechargeable, and Wearable Hydrogel Patch for Wireless Gas Detection with Extraordinary Performance”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

图一：基于Zn(OTf)₂/PAM水凝胶的自供电柔性气体传感器的工作原理、结构设计及应用。

【自供能气体传感器的性能及机理】

自供能传感器采用“Zn-Zn(OTf)₂/PAM-Carbon”器件结构，由于Zn阳极和碳阴极具有不同的电极电势，在电势差的驱使下，NO₂在Carbon阴极处自发还原，在外电路产生电流变化。传感器在超宽的浓度范围13.3ppb-10ppm内具有高灵敏的响应（S=1.74%/ppb）和高线性度(R²=0.999)。对多种气体无响应，具备出色的选择性。由于双亲性OTf^-（CF₃SO₃^-）离子在水凝胶合成过程中受水凝胶中的水分子和PAM的吸引，疏水侧-CF₃基团自发朝向水凝胶外部形成疏水界面，且在组装成传感器并用于气体检测时，在内建电势驱动下OTf^-向阴极迁移，进一步提升传感器的凝胶-电极界面的疏水性，使得室温传感器具备出色的抗湿度干扰能力。离子的引入同时增强的水凝胶的抗冻能力，使其能在-20°C正常运作。该传感器还刷新了自供能NO₂传感器的灵敏度和检测极限记录。

图二：自供电NO₂传感器的气敏性能

实验证实了生成电子向外电路转移是传感器响应的来源，疏水的IHL的建立极大地削弱了NO₂的溶解，缓解了由于NO₂溶解经过歧化反应发生电子内部转移，导致无效的气体检测。作者还通过第一性原理计算揭示了OTf^-离子与水分子的相互作用集中在SO₃^-基团一侧，为疏水界面的构筑提供了理论依据。

图三：传感器的检测机理探究

【Zn阳极可逆修复和传感器应用】

对于电化学型传感器，一个持续的挑战是金属阳极在连续使用过程中被氧化耗尽，这会严重降低其稳定性，并缩短使用寿命。而SEM表征证明反向充电的方法可以将氧化的Zn元素还原，重构Zn阳极，从而保护传感器的结构。且气敏实验证明，可逆修复后的传感器的性能并未下降，在修复前后长达350次气体检测循环中依然能保持稳定的响应。反向充电的方法为延长电化学传感器的寿命提供了一种可行性方案。

图四：Zn阳极修复及传感器的稳定性

传统的气体传感器系统电路体积大、刚性大、功耗高，携带不便。为了满足下一代可穿戴电子产品的要求，通过将传感器与定制化的电路模块相结合，开发了一种小型化、自供电和柔性的 NO₂气体传感系统（具有同步信号采集、调节、处理、无线传输功能）。水凝胶还可以作为粘合层将传感器与衣服等各种材料的粘附，方便地实现传感器的灵活使用。利用该传感系统，可以实时地检测环境中的微量NO₂浓度，并对超出阈值浓度的气体作出预警，为人们的安全保驾护航。

图五：无线、可穿戴、自供能的NO₂传感系统及其应用

总结：在本研究中，作者开发了一种柔性且无线的室温气体监测系统，由自供能NO₂传感器和微型电路模块组成，可贴合地穿戴在人体或机器人上，及时发出NO₂泄露警报以预防气体中毒事件的发生。该传感器是基于Zn-Zn(OTf)₂/PAM水凝胶-Carbon的结构构造而成的，具有超高的敏感度(1.92%/ppb)、线性度(R2=0.999)、极低的理论检测下限(0.1 ppb)以及出色的选择性，并且能够零度以下和高湿度的环境中正常运作。实验与理论分析表明：引入双亲性的OTf^? 离子使得水凝胶-阴极界面形成了一个贫水的内亥姆霍兹层调控NO₂的反应路径从而提升响应性。长时间测试及充电后的稳定响应和阳极的可逆修复表明可逆充电的设计有望延长传电化学传感器的使用寿命。这项工作促进了高性能、自供能、柔性和集成化气体传感器的发展，在柔性电子领域具有较大的应用价值。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202300046

本工作的研究基础是基于课题组近年来在导电水凝胶基柔性可穿戴式传感器方面的系列研究进展（Advanced Functional Materials 2023, 2300046,DOI: 10.1002/adfm.202300046；Advanced Science 2023, 10, 2205632；Nano-Micro Letters 2022, 14, 52；Nano-Micro Letters 2022. 14,183；Materials Horizons 2019, 6, 595；Materials Horizons 2022, 9, 1935；Materials Horizons 2022, 9, 1921；Advanced Science 2022, 9，2104168；Materials Horizons 2022, 9, 1356；Small 2021, 17, 2104997；SmartMat 2023，4，e1141；SmartMat 2023, 4, e1147;etc.）。

中山大学光电材料与技术国家重点实验室和中山大学附属第一医院联合招收博士后-柔性传感-医学交叉研究方向

1、研究平台

依托于中山大学光电材料与技术国家重点实验室和中山大学附属第一医院耳鼻咽喉研究所。中山大学光电材料与技术国家重点实验室在电子元器件制备方面有广泛的研究基础，拥有约24700平方米的研究场地、洁净室和100套以上的精密贵重仪器，可用于材料的可控制备、微纳加工和电学性能测试。柔性电子实验室搭建了较为齐全的传感材料合成、柔性传感器制备、表征和测试的平台。中山大学附属第一医院耳鼻咽喉研究所为国家重点学科和广州市重点实验室，具有丰富的临床资源和完善的实验室条件；同时中山大学附属第一医院为综合类国家区域医疗中心，其精准医学研究院拥有国际一流的科研平台。本课题组依托机构科研条件优越，团队学术气氛浓厚，为博士后提供自由探索机会并大力支持个人事业发展，诚邀符合条件的青年科研人员加盟。

2、招聘岗位和薪酬待遇

博士后：年薪28万起（含五险一金）。

绩效奖励：

（1）如获得博士后创新人才支持计划、国际交流引进项目、省引进项目，年薪可达37.4万；

（2）根据文章发表、基金申请情况给予博士后发放额外科研绩效津贴；

（3）获批国家级基金项目会额外提供配套经费支持

（4）推荐及协助申报国家和广东省各层次人才项目，如“广东省博士后人才引进计划”，最高可获100万资助；

（5）出站业绩突出者，可推荐应聘副研究员/研究员等职位。

3、招聘要求

（1）具有材料、电子、化学、物理、生物、医学背景均可，有交叉学科研究背景的优先考虑。

（2）已获得化学、材料、生物、医学相关专业博士学位或接近完成博士学位。

（3）海内外知名高校、研究机构博士毕业生，年龄35岁以下，获得博士学位不超过3年，发表过SCI论文；

（4）身心健康，工作认真负责，具有良好的团队合作精神。

4、应聘方式

有意应聘者请将个人学术简历、学历学位证明文件、代表性业绩成果等相关证明材料，发送至wujin8@mail.sysu.edu.cn，邮件标题注明：应聘博士后+本人姓名。

5.合作导师简介：

1.李春炜博士，中山大学附属第一医院教授，博士生导师，获聘中山大学“百人计划”中青年杰出人才，入选广东省珠江人才计划“引进高层次人才项目”；于新加坡国立大学获得医学博士学位，后在新加坡国立大学耳鼻咽喉研究所进行博士后研究工作。长期从事上呼吸道临床和基础相结合的研究，致力于于耳鼻喉科常见疾病的相关研究，并且已建立跨学科合作团队，与免疫学、微生物学、干细胞学、环境卫生学、流行病学、营养学、生物工程学、人工智能、工程物理学、生物信息学等课题组开展以上呼吸道黏膜（特别是呼吸道上皮）为中心的交叉研究，致力于拓展上呼吸道的知识和研究体系并取得创新性成果。已在过敏与临床免疫权威期刊如Nature Communications，Journal of Allergy and Clinical Immunology, Allergy, Clinical& Experimental Allergy发表多篇通讯作者论文。近5年，作为主持人已获得：国家自然科学基金面上项目（2项）、广州市对外科技合作计划（200万元）、广东省自然科学基金面上项目、中山大学青年教师重点培育项目、中山大学“百人计划”启动经费，经费总数超过650万元。

2. 吴进博士，中山大学电子与信息工程学院“百人计划”副教授，博士生导师，中山大学光电材料与技术国家重点实验室固定成员。开发面向健康医学和环境安全监测应用的柔性可拉伸、可穿戴、自修复的智能传感材料与器件及穿戴式系统、高性能离子/电子皮肤、水凝胶电子。以通讯或一作在Advanced Functional Materials（2篇）, Advanced Science（3篇）, Nano-Micro Letters（4篇）, Materials Horizons（4篇）, Small等期刊发表SCI论文＞70篇，其中IF＞10的论文40篇，ESI高被引论文/热点论文18篇，论文被引用5000多次，入选全球前2%顶尖科学家榜单。申请/授权国内外发明专利20多件。担任Front. Mater.（IF=4）副主编、Adv. Fiber Mater.（IF=13，中科院一区期刊）、Sci. China Mater.（IF=8.6，Q1）、SmartMat（即时IF≈15，中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊）等多个期刊的青年编委。课题组常年招收博士后、博士生（每年1名）、硕士生（每年2名），欢迎联系。

下载：A Self-Powered, Rechargeable, and Wearable Hydrogel Patch for Wireless Gas Detection with Extraordinary Performance

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻