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西安工程大學(xué)楊杰/王琛教授 ACS AMI:兼具防潮功能和高靈敏/可靠性的MXene人體健康監(jiān)測(cè)傳感器
2022-05-09  來(lái)源:高分子科技

  伴隨大健康產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,以智能手環(huán)、可穿戴健康管理設(shè)備為代表的智能醫(yī)療類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。從滿(mǎn)足穿戴舒適度的角度出發(fā),柔性壓力傳感器具有人體貼合性好、柔韌性高和可變形的特性,能夠適應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)器件高變形能力和長(zhǎng)使用壽命的需求。MXene材料擁有超高的電導(dǎo)率和靈活可調(diào)的層間距,是適合開(kāi)發(fā)新一代柔性壓力傳感器的理想響應(yīng)材料之一。然而,MXene材料在水-氧雙重作用下易發(fā)生氧化,使得傳感器和皮膚/汗液長(zhǎng)期接觸過(guò)程中,器件靈敏度和可靠性不斷降低。


  針對(duì)上述問(wèn)題,西安工程大學(xué)楊杰/王琛教授研究團(tuán)隊(duì)采用納米纖維素插層聯(lián)合表面疏水改性策略,將細(xì)菌纖維素(Bacterial Cellulose,BC)引入到Ti3C2Tx MXene層間,并賦予BC/Ti3C2Tx (HBT)復(fù)合膜優(yōu)異的耐水功能(1)。細(xì)菌纖維的插入促使MXene片層被有效分離,膜層內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化,賦予HBT壓力傳感器高的響應(yīng)靈敏度。同時(shí),HBT薄膜表面優(yōu)異的疏水性能可防止水分子的侵入,賦予傳感器良好的耐水防潮能力,有效解決了MXene可穿戴傳感器面臨的響應(yīng)性能降低問(wèn)題。所研制的傳感器可用于不同狀態(tài)下人體全范圍運(yùn)動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)、有效監(jiān)測(cè)。該研究以Water-Tolerant MXene Epidermal Sensors with High Sensitivity and Reliability for Healthcare Monitoring為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上,西安工程大學(xué)校聘副教授楊杰博士為本文通訊兼第一作者,王琛教授為共同第一作者。


HTB復(fù)合傳感薄膜的制備過(guò)程示意圖 


HTB復(fù)合膜的(a, b)光學(xué)照片,(c)表面、(d,e)截面SEM顯微圖像和(f)元素分布。

 

HBT薄膜復(fù)合膜化學(xué)組分分析(aX-射線(xiàn)衍射圖譜,(bXPS全譜,HBT復(fù)合膜高分辨XPS譜圖:(cF1s譜和(dF1s譜。 


4 BT復(fù)合膜和HBT復(fù)合膜疏水性能對(duì)比。(aBT薄膜和(bHBT薄膜表面水接觸角和水中浸泡前、后光學(xué)照片,(c,dBTHBT薄膜電導(dǎo)率隨水中浸泡時(shí)間變化關(guān)系曲線(xiàn)。

 

5 HTB柔性壓力傳感器響應(yīng)性能。(aHBT壓力傳感器靈敏度曲線(xiàn);(b)傳感器在微小壓力小的實(shí)時(shí)電流變化,(c)傳感器檢測(cè)限、(d)響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間以及(e)循環(huán)穩(wěn)定性.


6aBTHTB柔性壓力傳感器在水中浸泡前、后的實(shí)時(shí)電流變化曲線(xiàn)對(duì)比,HBT傳感器水中浸泡后的(b)靈敏度曲線(xiàn)和(c)循化壽命。 


7 HTB柔性壓力傳感器用于人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)。用于監(jiān)測(cè)測(cè)(a)觸摸、(b)膝蓋彎曲、(c)發(fā)音以及(d)腕部脈搏信號(hào),(e)用于識(shí)別運(yùn)動(dòng)前、后出汗?fàn)顟B(tài)下的面部表情。

 

  論文信息:

  Jie Yang,* Chen Wang, Liyuan Liu, Hongli Zhang, Jianhua Ma. Water-Tolerant MXene Epidermal Sensors with High Sensitivity and Reliability for Healthcare Monitoring. ACS Applied Materials & Interfaces 2022. 

  https://doi.org/10.1021/acsami.2c03731

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