惊艳！太原理工研发出新型柔性传感器，可实时监测体温

成果简介

本文，太原理工大学Zhang Yixia《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Self-Assembled and Multilayer-Overlapped ESM-PDA@rGO Nanofilm-Based Flexible Wearable Sensor for Real-Time Body Temperature Monitoring”的论文，研究提出通过集成蛋壳膜（ESM）成功构建了一种基于ESM-PDA@rGO的柔性可穿戴温度传感器。石墨烯氧化物 （rGO） 通过多巴胺 （DA） 聚合。一方面，根据多样化聚多巴胺（PDA）链的“桥接效应”，产生了交错排列的PDA-rGO框架和大量导电通路，并充当了活性层。另一方面，PDA-rGO框架通过PDA链与ESM连接，形成柔性传感纳米薄膜。结果，ESM-PDA@rGO的这些机械优点使杨氏模量增加了1.8倍，抗拉强度增加了1.4倍。

因此，温度传感器的顺应性和性能大大提高，显示出优异的灵敏度（−2.23%/°C）和良好的线性度（R2= 0.979），以及稳定性。特别是，柔性传感纳米薄膜是由PDA-rGO框架的交错排列演变而来的，这使其具有快速响应（仅4-8 s）、高分辨率（0.1 °C）以及出色的长期耐久性（10 周）。更重要的是，温度传感器对弯曲变形不敏感，确保了可靠的磨损稳定性。该传感器可以在线实时监测人体温度，包括核心温度（前额、太阳穴、耳蜗和呼出气体）和外壳（手掌和手背、指尖和脚背）温度。特别是，它可以准确评估运动前后外周体温的微小变化，并且能够绘制每日体温模式。开发的温度传感器将为我们提供新的材料设计理念，并在电子皮肤、疾病监测、预测和诊断领域具有相当大的前景。

图文导读

图1.（a） 柔性ESM-PDA@rGO纳米薄膜和可穿戴温度传感器的制备工艺。（b） ESM-PDA@rGO纳米薄膜和集成装置的光学图像。（c） 人体的各种温度分布。温度传感器可以很容易地粘附在不同的身体部位。

图2：(a) ESM 和 ESM-PDA@rGO 样品的拉曼光谱和(b) 傅立叶变换红外光谱。(c, d) ESM-PDA@rGO 薄膜的低倍和高倍扫描电镜图像以及 (e, f) EDS 光谱和相应的 C、N、O 和 S 元素图谱。(g）ESM-PDA@rGO 纳米薄膜的厚度、扭曲柔韧性和佩戴舒适度；（h）弯曲变形响应曲线。(i) 应力-应变曲线；(j) 杨氏模量和伸长率；(k) ESM 和 ESM-PDA@rGO 对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的抑制区直径。

图3. ESM4-PDA@rGO 温度传感器的优化和性能。

图4. (a) 贴在皮肤上的柔性温度传感器示意图。有限元分析模拟了 ESM 和 ESM-PDA@rGO 的温度分布。红色箭头表示热传导方向。(b) ESM 和 ESM-PDA 样品的响应曲线。插图为 ESM-PDA 的等效电路。(c) 基于 ESM 的 rGO 纳米片（不可渗透）与聚合物（可膨胀）之间的导电通路随加热而变化的示意图。(d) ESM 和 ESM-PDA@rGO 的 I-V 曲线。(e) PDA-rGO 框架的电子转移示意图。

图5. 温度传感器在身体不同部位的响应曲线

小结

本文选择 ESM 和 rGO 作为柔性基底和热敏材料，并引入 PDA 链，通过 DA 聚合构建柔性 PDA-rGO 框架。结构分析表明，PDA 链可作为有效的 "桥联剂"，成功地与 ESM 和 rGO 片材结合，生成具有连续稳定导电通路的柔性 ESM-PDA@rGO 传感纳米薄膜。精心设计的 ESM4-PDA@rGO 温度传感器具有灵敏度高、分辨率高、线性度好、响应速度快（4-8 秒）等特点。特别是，该温度传感器还具有良好的周期稳定性和再现性。它可以实时监测体温和呼吸温度。通过多巴胺聚合将 rGO 与 ESM 集成到柔性多层重叠传感设备中是一种低成本、简单的制造技术，它将有助于在医疗保健、疾病诊断和人机交互方面的广泛应用。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsami.3c13700