中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
水凝膠由于其獨特的3D結構、高滲透性、離子導電性和類(lèi)組織機械性能，在柔性化學(xué)傳感器領(lǐng)域引起了相當大的關(guān)注。這些結構和特性使其能夠被功能化為各種傳感組件，并在復雜的環(huán)境中對化學(xué)信號做出反應。
近期，廣東以色列理工學(xué)院（第一單位）王燕教授課題組在A(yíng)dvanced Sensor Research期刊上發(fā)表了一篇題為“A Review of Functional Hydrogels for Flexible Chemical Sensors”的綜述性論文，概述了基于功能性水凝膠的柔性化學(xué)傳感器。該論文首先介紹了具有代表性的水凝膠材料，并討論了柔性化學(xué)傳感器的工作原理。隨后，重點(diǎn)介紹了最先進(jìn)的基于功能性水凝膠的柔性化學(xué)傳感應用，包括氣體傳感器、濕度傳感器、pH傳感器、葡萄糖傳感器、傷口監測等。最后，介紹了該領(lǐng)域的主要挑戰和機遇。
在過(guò)去的二十年里，基于功能性水凝膠的柔性化學(xué)傳感器經(jīng)歷了廣泛的發(fā)展（圖1）?；谒z的柔性電子器件也有很多綜述文章，主要集中在材料、性能、人機界面、傷口愈合和健康監測等應用方面。然而，它們均未在分子水平上總結用于環(huán)境和人體健康監測的基于功能性水凝膠的化學(xué)傳感器。為此，本論文對基于功能性水凝膠的柔性化學(xué)傳感器進(jìn)行了全面綜述，并為未來(lái)令人興奮的發(fā)展提出可能性展望。
圖1 在過(guò)去的二十年中，基于功能性水凝膠的柔性化學(xué)傳感器的代表性示例
水凝膠材料
水凝膠可以按多種方式進(jìn)行分類(lèi)，例如聚合物來(lái)源、交聯(lián)類(lèi)型和制備方法。本綜述文章根據聚合物來(lái)源對其分類(lèi)，分為天然水凝膠、合成水凝膠和功能性水凝膠（圖2）。它們獨特的化學(xué)、生物和物理特性被用來(lái)增強傳感能力。
圖2 具有代表性的水凝膠材料
天然水凝膠，例如纖維素、藻酸鹽、殼聚糖及其衍生物，通?？蓮脑偕Y源中提取。由于其豐富的官能團和獨特的化學(xué)和/或物理性質(zhì)，以及優(yōu)異的生物相容性和生物降解性，它們已被廣泛用于制造各種類(lèi)型的傳感器。此外，它們可以通過(guò)調節機械和電氣性能、溶解度和晶體結構進(jìn)行修飾，以滿(mǎn)足特定功能的需求，這得益于其官能團的高反應性。
合成水凝膠在各種生物醫學(xué)應用中也變得越來(lái)越重要，例如即時(shí)檢測、醫療產(chǎn)品和生物傳感器，因為它們可以被優(yōu)化設計以產(chǎn)生理想的物理和化學(xué)特性，類(lèi)似于其天然對應物。同時(shí)，它們也吸引了人們對柔性化學(xué)傳感器的廣泛興趣，典型的例子包括聚丙烯酰胺（PAAm）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）及它們的替代衍生物。
雜化水凝膠既能保持其自身的特性，又能與其它成分協(xié)同作用。常見(jiàn)的功能材料包括納米顆粒、聚合物、生物分子（如酶和DNA）和其它添加劑。當暴露于外部刺激時(shí)，傳感材料會(huì )發(fā)生物理/化學(xué)變化，從而調節聚合物鏈和分析物之間的相互作用。
水凝膠化學(xué)傳感器的工作原理
水凝膠可以利用其特殊特性，例如吸濕性、溶脹性和優(yōu)異的滲透性來(lái)構建柔性化學(xué)傳感器。通常，水凝膠化學(xué)傳感器通過(guò)分析物擴散接受輸入，然后將其轉換為可量化的輸出。輸出信號通常以體積、比色、化學(xué)機械、電氣和光學(xué)等變化的形式表示?；谛盘柕目梢暬?，以及水凝膠在化學(xué)傳感器中所起的作用，該綜述討論了三個(gè)工作原理：（1）體積/顏色變化；（2）信號轉導；（3）雙向交換。對于體積/顏色變化和信號轉導，信號直接發(fā)生在水凝膠體內，而對于雙向交換，水凝膠充當生物系統和化學(xué)傳感組件之間的界面。
圖3 化學(xué)傳感器中功能性水凝膠的工作原理
應用
得益于其令人印象深刻的特性，即生物相容性、高滲透性和可定制的機械和電氣特性，功能性水凝膠已經(jīng)被廣泛用于高性能柔性化學(xué)傳感器。本綜述文章討論并總結了具有代表性的示例，包括氣體傳感器、濕度傳感器、pH傳感器、葡萄糖傳感器、傷口監測（如圖4~圖9）等。
圖4 由功能性水凝膠制成的柔性、可拉伸氣體傳感器
圖5 由功能性水凝膠制成的柔性、可膨脹氣體傳感器
圖6 由功能性水凝膠制成的柔性、可拉伸濕度傳感器
圖7 由功能性水凝膠制成的柔性、可拉伸pH傳感器
圖8 由功能性水凝膠制成的柔性、可彎曲葡萄糖傳感器
圖9 由功能性水凝膠制成的柔性、可拉伸傷口敷料
結論和展望
綜上所述，功能性水凝膠固有的柔軟性、三維納米結構、優(yōu)異的滲透性、溶脹性、導電性和生物相容性/生物降解性及大規模的工業(yè)可及性等優(yōu)越的物理化學(xué)特性，為開(kāi)發(fā)高性能柔性化學(xué)傳感器提供了強大的優(yōu)勢。在本綜述文章中，研究人員首先介紹了用于功能性水凝膠基的化學(xué)傳感器的常見(jiàn)聚合物，例如天然水凝膠、合成水凝膠和功能性水凝膠。隨后，他們總結了基于功能性水凝膠的柔性化學(xué)傳感器的三個(gè)工作原理：（1）體積/顏色變化；（2）信號轉導；（3）根據水凝膠在化學(xué)傳感過(guò)程中所起的作用進(jìn)行雙向交換。然后，他們介紹了基于功能性水凝膠的柔性化學(xué)傳感器在環(huán)境和人體健康監測方面的最新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了氣體傳感器、濕度傳感器、pH傳感器、葡萄糖傳感器、傷口監測等。盡管基于功能性水凝膠的柔性化學(xué)傳感器在這一領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展，但仍然存在挑戰。如下概述了幾個(gè)仍然存在的挑戰，并提出了相關(guān)解決方案。
首先，由于其有限的導電性、機械強度和抗疲勞性，水凝膠還不是高性能商業(yè)傳感器的理想候選材料。研究人員提出引入不同的功能成分來(lái)調節水凝膠的物理和化學(xué)性質(zhì)，是一種在現實(shí)場(chǎng)景中提高測量能力的令人向往的策略。另外，現有的水凝膠大多以被動(dòng)的方式用作涂層或主體，而不是以主動(dòng)的、響應的功能。研究人員提出，未來(lái)可以通過(guò)開(kāi)發(fā)主動(dòng)響應水凝膠來(lái)考慮開(kāi)發(fā)全水凝膠柔性化學(xué)傳感器，將有可能真正開(kāi)發(fā)出類(lèi)人體組織的裝置。其次，未來(lái)的柔性化學(xué)傳感器用于可穿戴和可植入應用，要求高精度和小尺寸。然而，水凝膠由于其高含水量而難以通過(guò)傳統技術(shù)圖案化為高分辨率結構。研究人員提出3D打?。ㄔ霾闹圃欤┖凸饪碳夹g(shù)能夠快速、低成本地大規模生產(chǎn)基于功能性水凝膠的柔性化學(xué)傳感器。得益于多種添加劑的選擇和預先編程的優(yōu)勢，3D打印和光刻技術(shù)通常是制造下一代基于水凝膠的柔性化學(xué)傳感器的理想技術(shù)。同時(shí)，還需要改進(jìn)現有工藝，并制定與材料開(kāi)發(fā)協(xié)同的新制造戰略。
再者，基于功能性水凝膠的柔性化學(xué)傳感器的最終目標是實(shí)現閉環(huán)傳感系統，該系統可以部署在現實(shí)場(chǎng)景中，其中應考慮其電源、數據分析、通信和管理。因此，功能性水凝膠、生物電子器件和生物組織的穩健集成是該領(lǐng)域的另一個(gè)挑戰。研究人員提出用含鄰苯二酚的化合物（例如聚多巴胺、單寧酸和茶多酚）功能性水凝膠是改善自粘性能的重要策略。
最后，盡管基于水凝膠的可穿戴和可植入電子產(chǎn)品取得了巨大進(jìn)展，但由于脫水以及異物反應的影響，同時(shí)有損傷風(fēng)險，未來(lái)仍迫切需要相關(guān)研究，以改善水凝膠的長(cháng)期穩定性和生物相容性。高溫和干燥條件引起的水分揮發(fā)會(huì )影響水凝膠的力學(xué)性能，嚴重限制其使用壽命和應用場(chǎng)景。研究人員提出通過(guò)添加吸濕鹽或保水劑來(lái)構建抗干燥的水凝膠，適用于暴露在空氣中的應用。同時(shí)，可以通過(guò)控制交聯(lián)方法和合成步驟，來(lái)構建具有互穿網(wǎng)絡(luò )結構和足夠的動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵的功能性水凝膠，可實(shí)現其自修復能力。
