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新型自供能柔性多功能傳感器，可實(shí)時(shí)監測人體生理信號
來(lái)源：本站原創(chuàng )
瀏覽次數：658 發(fā)布時(shí)間：2019-08-23
近年來(lái)，柔性電子可在人體皮膚表面實(shí)現穿戴式實(shí)時(shí)信號采集和處理，已成為運動(dòng)健康管理、疾病診斷監護、環(huán)境監測、人機智能交互等領(lǐng)域變革式的科學(xué)技術(shù)及各個(gè)國家重要的戰略性新興產(chǎn)業(yè)。柔性自供能多功能傳感系統是可穿戴電子非常有前景的發(fā)展方向之一。盡管自供能集成器件得到了廣泛關(guān)注，但是具有良好柔性、輕量化、適應性好的傳感系統依然被迫切需求?；瘜W(xué)勢能廣泛存在于自發(fā)的擴散過(guò)程，例如：離子擴散、電荷擴散等，非常有希望應用于自供能可穿戴電子系統。近年來(lái)的研究雖然已經(jīng)實(shí)現了對化學(xué)勢能的收集，但是如何與柔性可穿戴傳感結合，實(shí)現快速有效的驅動(dòng)系統工作仍是目前亟需解決的難題。
針對上述需求，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽團隊發(fā)展了一種新型基于化學(xué)勢能作用的濕度驅動(dòng)自供能柔性多功能傳感系統。該自供能傳感系統對濕度和壓力均具有高的靈敏度，可以為人的生理信號提供實(shí)時(shí)的監測。
圖1：濕度驅動(dòng)的柔性自供能傳感系統用于人體生理信號監測的示意圖
多巴胺（DA）是一種重要的人類(lèi)激素和神經(jīng)遞質(zhì)，它的聚合是一個(gè)復雜的氧化還原過(guò)程，包括鄰苯二酚和鄰醌結構的可逆轉換?；诓粚ΨQ(chēng)電化學(xué)氧化還原反應（4V 30s 85%RH）可以在電極之間構建梯度分布的鄰苯二酚和鄰醌結構，通過(guò)此極化處理實(shí)現了在PDA薄膜上羥基的梯度分布，為利用環(huán)境濕度獲取化學(xué)勢能進(jìn)行發(fā)電提供了新思路。研究團隊將聚多巴胺（PDA）功能化墨水直接噴印在印有雙螺旋電極的柔性PET襯底上。由于溶劑（水）的快速蒸發(fā)，得到的PDA薄膜具有多孔的結構（~1 μm），促進(jìn)了器件對環(huán)境水分的快速捕獲和PDA內部的質(zhì)子解離，釋放梯度分布的H+，產(chǎn)生開(kāi)路電壓達到0.52 V，短路電流密度3.1 mA/cm2。
圖2：a. 高濕度環(huán)境下極化處理PDA示意圖。b. 極化后的g-PDA柔性自供能器件示意圖。1電極為施加極化電壓的陽(yáng)極，2電極為陰極。c.靠近1和2電極區域的PDA薄膜紅外譜圖。d. 靠近1和2電極區域的PDA薄膜表面C元素高分辨XPS譜圖。
結合該課題組前期工作（Adv. Mater. 2014, 26, 1336–1342），在上述濕氣驅動(dòng)的g-PDA自供能器件背面組裝上有微納結構的高靈敏柔性壓力傳感器，并與之串聯(lián)構成自供能壓力傳感系統。該自供能傳感系統既可以對環(huán)境濕度快速響應，也可以在納米發(fā)電機的驅動(dòng)下對壓力進(jìn)行靈敏感知，實(shí)現對人的生理信號（呼吸、脈搏等）的監測，為未來(lái)自供能傳感系統提供了新的思路。
圖3：a. g-PDA柔性自供能器件在ΔRH分別為30%, 50%, 70%,和 90%時(shí)產(chǎn)生的開(kāi)路電壓信號。b. g-PDA自供能器件在不同外接電阻下的有效輸出功率（ΔRH=90%）。c. g-PDA自供能器件對濕氣的響應和恢復時(shí)間（ΔRH=50%）。d. g-PDA自供能器件在恒定ΔRH=50%條件下的開(kāi)路電壓信號。
圖4：a.自供能傳感系統貼附于腕部的光學(xué)照片。b.自供能傳感系統的實(shí)時(shí)電流信號，濕度由人吹氣提供，測試連接AB端。c.自供能傳感系統監測呼吸。d-e.c圖中時(shí)間-電流曲線(xiàn)的傅里葉變換信號。
以上相關(guān)成果發(fā)表在Nano Letters上。論文第一作者是蘇州納米所博士生李連輝，蘇州納米所趙志剛團隊在材料表征方面參與合作，通訊作者為張珽。
