基于压电弹性体/海藻酸钠/碳量子点复合材料的柔性水凝胶传感器实现水下多参数实时同步监测

【编辑推荐】针对水下多参数（流速、pH、温度）监测中传统传感器体积大、功耗高的难题，研究人员开发了基于压电弹性体(PE)/海藻酸钠(SA)/碳量子点(CQDs)的柔性水凝胶传感器(HSWQM)。该传感器通过PE的低弹性模量实现应力监测，SA-CQDs复合体系响应pH变化，结合热敏合金膜和近场通信(NFC)模块，首次实现了流速、温度、pH的实时同步监测，为水质监测提供了集成化解决方案。

　　

水下环境监测是生态环境保护和水资源管理的重要环节，传统水质监测需要同时检测流速、pH值、温度等多个参数。然而现有技术面临两大困境：单一传感器无法实现多参数集成，而组合式传感器又存在体积臃肿、能耗过高等问题。这就像要求潜水员同时携带温度计、流速仪和pH试纸下潜，不仅操作繁琐，数据还难以同步。更棘手的是，水下特殊环境对传感器的柔韧性和信号传输提出了严苛要求。

针对这一技术瓶颈，某研究团队在《Biomacromolecules》发表的研究中，创新性地将压电弹性体(PE)的力学传感特性与海藻酸钠(SA)水凝胶的溶胀特性相结合，开发出具有三重传感功能的柔性水凝胶传感器(HSWQM)。研究人员首先设计了一种具有长柔性主链和交联位点的PE材料，其独特的分子结构赋予材料低弹性模量（类似橡皮筋的柔软度）和高压电性（能将机械应力转化为电信号），可灵敏捕捉水流冲击产生的应力变化。为赋予pH响应功能，团队将PE与天然高分子SA共混形成柔性压电水凝胶(FPH)，利用SA网络结构的高溶胀性吸附碳量子点(CQDs)——这些纳米尺度的碳颗粒会随pH值改变发光特性。最后集成热敏合金膜和NFC模块，构建出厚度不足1毫米的"三合一"传感系统。

关键技术包括：1)通过分子设计合成具有特定交联结构的PE材料；2)采用溶液共混法制备PE/SA复合水凝胶；3)利用溶胀-吸附法负载CQDs；4)热敏合金膜的微加工集成；5)NFC无线传输模块的嵌入式设计。

【材料表征与性能】X射线衍射和红外光谱证实PE成功交联到SA网络中，原子力显微镜显示CQDs均匀分布在凝胶孔隙中。压电测试显示复合材料的d₃₃系数达28 pC/N，比传统PVDF材料高40%。

【力学响应测试】在水流冲击实验中，传感器输出电压与流速呈线性关系(R²=0.98)，检测下限为0.1 m/s，能识别鱼类游动产生的微流。

【pH响应特性】在pH4-10范围内，CQDs荧光强度变化率达300%，传感器响应时间<30秒，且经过100次循环测试后信号衰减<5%。

【温度同步监测】热敏合金膜在10-40℃区间内电阻变化灵敏度为0.5%/℃，与商用铂电阻温度计偏差<0.3℃。

【实际应用验证】在湖泊实地测试中，系统通过NFC模块将三参数数据实时传输至手机终端，连续工作72小时无信号漂移。

这项研究的突破性在于：首次将压电传感、pH荧光响应和热电阻技术集成于单一水凝胶平台，其柔性特质可贴合复杂曲面，NFC供电模式彻底解决了水下设备的能耗问题。相比传统监测站，该传感器体积缩小了90%，成本降低至1/20，为建立分布式智能水质监测网络提供了关键技术支撑。研究者特别指出，SA的生物相容性使得该装置可直接投放于生态敏感区，不会对水生生物造成伤害。未来通过替换不同功能量子点，还可拓展至重金属离子等更多参数的检测领域。