适用于高湿度环境的化学电阻式水凝胶传感器，用于实时监测呼出气体中的二氧化碳（CO?）

《Chemical Engineering Journal》：Humidity-compatible chemiresistive hydrogel sensor for real-time breath CO 2 monitoring

基于二甲基胺功能化水凝胶的柔性化学电阻式CO?传感器，通过水分子的介导实现CO?诱导的离子导电性可逆调控，灵敏度达37.3% (10,000 ppm)，检测限100 ppm。引入N,N-二甲基丙烯酰胺提升机械强度至51%拉伸应变极限。集成无线智能口罩实现呼吸CO?、活动量及餐后代谢多模态监测。

　　本研究介绍了一种基于二甲胺功能化水凝胶的柔性化学电阻式二氧化碳（CO?）传感器。该传感器通过水分子促进CO?引起的三级胺基团可逆质子化反应，从而调节水凝胶的离子导电性，实现对呼出气体中CO?的实时分析。这一设计不仅提高了传感器对CO?的响应能力，还增强了其在呼吸运动引发的机械应力下的耐用性。同时，研究者还展示了将这种水凝胶传感器集成到无线智能口罩系统中，以实现多模式的呼吸CO?模式、身体活动和餐后代谢变化的监测。这种平台为可穿戴CO?传感在个性化健康监测中的应用提供了可扩展且低功耗的解决方案。

呼出气体中的CO?是评估代谢状态和跟踪疾病进展的重要生理信号。然而，呼出气体中高水分含量对CO?检测的准确性和稳定性构成了重大挑战。传统传感器技术，如非分散红外（NDIR）传感器、电化学传感器和催化燃烧传感器，在高湿度环境下均表现出信号漂移、灵敏度下降和长期稳定性受损等问题。这主要是因为湿度会影响传感器的信号传导过程，改变其表面化学性质，稀释反应物，或在光学或催化组件上形成冷凝物。因此，为了实现呼出CO?的高精度实时分析，必须开发一种能够在潮湿环境下稳定运行的新型传感器。

近年来，CO?响应型聚合物在CO?捕获和利用领域受到广泛关注。这些聚合物具有可逆的结构、极性和离子化变化，能够在CO?刺激下实现可调的物理化学性质和广泛的应用潜力。这种动态响应机制为在常温常压条件下检测CO?提供了分子层面的基础，相较于传统传感器材料，在灵敏度、选择性和稳定性方面具有显著优势。其中，二甲胺基团因其在碳酸（H?CO?）存在下的可逆质子化反应而成为当前最广泛使用的CO?响应型材料之一。H?CO?是在CO?溶解于水后形成的，该酸碱反应会增加可移动离子的浓度，从而提高离子导电性。

本研究的传感器设计基于这一原理，通过将二甲胺基团引入水凝胶中，使水分子在CO?存在时发挥关键作用，促进三级胺基团的可逆质子化反应。这种反应不仅提高了传感器对CO?的响应能力，还增强了其在高湿度环境下的稳定性。此外，为了提高传感器的机械强度，研究者在水凝胶中加入了增塑剂，使传感器在呼吸运动带来的机械应力下依然保持良好的性能。这一改进使传感器能够在长时间使用中保持稳定，避免因机械疲劳导致的性能下降。

为了验证该传感器的实际应用价值，研究者将其集成到一个无线智能口罩系统中。该系统能够实时监测呼吸气体中的CO?含量，同时还能监测身体活动和餐后代谢变化。通过将优秀的传感性能、机械适应性和系统级集成能力相结合，这一研究为实现连续、无创的CO?监测提供了新的思路。这种智能口罩系统不仅适用于临床环境，如麻醉、重症监护和急救医学，还适用于日常的个人健康监测，为用户提供更全面的健康数据。

此外，该研究还探讨了CO?响应型水凝胶在智能口罩系统中的集成方法。通过设计合适的电路和信号处理模块，传感器能够将检测到的CO?信号实时传输至用户的智能手机，便于数据存储和分析。这种无线通信能力使得智能口罩系统不仅具备独立运行的能力，还能够与移动设备进行联动，实现更便捷的健康管理。通过这种方式，用户可以在日常生活中随时监测自己的呼吸状况，及时发现潜在的健康问题。

在材料方面，研究者使用了多种高纯度的化学试剂和聚合物材料，包括N-[3-(二甲胺)丙基]甲基丙烯酰胺（DMAPMA）、N,N-二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯（DMAEMA）、N,N-二甲基乙醇胺（DMEA）、2-羟基-2-甲基丙基苯酮（HMPP）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）以及N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）。这些材料在实验过程中未经过额外纯化，直接用于水凝胶的制备。去离子水则用于所有水凝胶的合成过程，以确保材料的纯净度和一致性。

研究团队在该工作中还探讨了传感器的性能优化策略。通过调整水凝胶的配方和结构，研究者能够有效提高其对CO?的响应速度和灵敏度，同时保持良好的机械性能。例如，研究者通过改变水凝胶的交联度和孔隙率，使其在高湿度环境下依然保持稳定的导电性。这种优化策略不仅提高了传感器的性能，还增强了其在实际应用中的可靠性。通过这种方式，传感器能够在不同的环境条件下保持一致的性能，为用户提供准确的健康数据。

本研究的传感器设计还考虑了其在实际应用中的可穿戴性和舒适性。通过采用柔性材料和轻量化设计，研究者确保了传感器能够贴合用户的面部，不影响正常的呼吸过程。这种设计使得传感器不仅适用于临床环境，还适用于日常的个人健康监测，为用户提供更便捷的使用体验。此外，研究者还探讨了传感器的长期稳定性问题，通过引入稳定的化学结构和合适的封装材料，确保传感器能够在长时间使用中保持良好的性能。

为了验证该传感器的性能，研究者进行了多组实验，包括在不同浓度的CO?环境下测试传感器的响应能力，以及在不同湿度条件下测试其稳定性。实验结果表明，该传感器在高浓度CO?（10,000 ppm）环境下表现出37.3%的高响应率，而在低浓度CO?（100 ppm）环境下仍能检测到信号，显示出良好的灵敏度和检测能力。此外，该传感器在高湿度环境下依然保持稳定的性能，说明其设计在应对环境干扰方面具有显著优势。

该研究的传感器设计还考虑了其在实际应用中的可扩展性和兼容性。通过采用标准化的制造流程和模块化设计，研究者确保了传感器能够大规模生产，并且适用于不同的应用场景。例如，该传感器不仅能够用于个人健康监测，还可以用于医疗设备的集成，为临床医生提供更全面的患者数据。此外，研究者还探讨了传感器在不同应用场景下的适应性，确保其能够满足多样化的监测需求。

综上所述，本研究提出了一种基于二甲胺功能化水凝胶的柔性化学电阻式CO?传感器，该传感器通过水分子促进CO?引起的可逆质子化反应，从而调节水凝胶的离子导电性，实现对呼出气体中CO?的实时监测。该设计不仅提高了传感器的灵敏度和稳定性，还增强了其在呼吸运动引发的机械应力下的耐用性。通过将该传感器集成到无线智能口罩系统中，研究者实现了多模式的呼吸监测，为个性化健康监测提供了新的解决方案。这种平台具有可扩展性、低功耗和高可靠性，能够广泛应用于临床和日常健康监测领域。