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華南理工大學王小慧、王蕾團隊 Chem. Eng. J.：激光直寫復合蜂窩紙基多功能傳感平臺

2023-12-30 來源：高分子科技

近年來，基于紙張的可穿戴傳感器因其廣泛可得性和舒適的佩戴性而備受關注。紙張具有良好的濕度和空氣透過性，能夠迅速吸收汗液，成為進一步分析的理想基質。研究人員在紙張上開發了物理和化學信號傳感電極，采用混合材料附著在紙張表面，以實現即時診斷。然而，要實現多功能傳感器的集成，還需要添加金屬連接和信號放大器等額外組件。這些組件在可穿戴過程中會遭受機械變形；浸泡在含有細菌、鹽、尿素和乳酸等腐蝕性物質的復雜汗液中時，會對傳感器的性能產生嚴重影響。因此，如何在紙基平臺上同一圖案上同時實現全面穩健的化學和物理參數監測仍然是一個巨大的挑戰。

圖1 基于激光直寫制備復合蜂窩紙的抗干擾多功能物化傳感平臺

近期，華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室王小慧教授、王蕾副教授團隊設計了一種新穎的復合紙基平臺，它采用了蜂窩狀的多孔結構，由氧化石墨烯和細菌纖維素組成。通過可規模制造的造紙技術和激光直寫相結合，形成了這種特殊的結構，并通過分子鍵將還原氧化石墨烯連接在一起。這種蜂窩狀結構內的導電通道對應變具有精確的應變響應能力（圖2），而靠近還原氧化石墨烯的微環境則極大地提高了生物化學分析的靈敏度（圖3）。這項研究通過將pH敏感聚合物集成到紙基平臺上，實現了在運動中連續監測姿勢和汗液pH值的多功能傳感器，同時實現了按需刺激檢測，并展現出了和離位測試相近的精度（圖4）。這項研究為紙基多診斷無干擾監測提供了一種新的解決方案，為全面健康監測提供了可持續和有效的手段。該工作以“Multifunctional flexible graphene oxide/bacterial cellulose composite paper platforms for realtime monitoring sweat and strain in wearable devices”為題發表在《Chem. Eng. J.》上（Chem. Eng. J. 2023, DOI: 10.1016/j.cej.2023.148390）。文章第一作者是華南理工大學王成博士。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省卓越青年團隊項目和華南理工大學中央高校基金等項目的支持。

圖2 復合蜂窩紙形成機理及其應變傳感機理及性能

圖3 復合蜂窩紙增強汗液pH傳感機理及其良好的傳感選擇特性

圖4 紙基傳感平臺及其與柔性鋰電池集成

該工作是團隊近期關于紙基柔性電子相關研究的最新進展之一。在過去的兩年中，團隊分別開發了剪紙法（Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp.，2023，673, 131855; npj Flex. Electron., 2022, 6, 12）和溶液保護激光直寫法（ACS Sustainable Chem. Eng. 2023, 11, 9782–9791）來低成本制備高性能圖案化的紙基傳感電極。同時，團隊王蕾副教授及其合作者在高性能織物和紙基柔性電池電極及其活性材料研發上也取得了一系列重要進展（Adv. Energy Mater., 2023, 2303088；Adv. Energy Mater., 2023, Accept; Adv. Mater.,2023, 35: 2211748；Cell Reports Physical Science, 2023, 4, 101463；Chem. Eng. J., 2022, 446, 137050等），為后續可穿戴器件的高性能集成應用提供了良好的基礎。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472307122X

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（責任編輯：xu）

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