用于有毒气体检测的图案化石墨烯吸收剂：机器学习方法

《Sensors and Actuators A: Physical》：Patterned Graphene Absorber for Toxic Gas sensing: Machine Learning Approach

本研究开发了一种基于铜基导电墨水的软性可穿戴无线应变传感器，用于实时监测输液外渗引发的局部组织肿胀。通过创新设计的同心圆电极结构，传感器实现了各向同性应变检测，灵敏度达1472（10%应变），响应时间小于0.1秒。实验证明该装置可检测到约0.5ml的液体外渗量，为临床提供低成本、高灵敏度的早期外渗预警方案。

　　

林允轩|杨晓玲|廖英志

台湾国立大学化学工程系，台北106319，台湾

摘要

静脉（IV）治疗过程中的渗漏可能引发严重的并发症，但其早期检测仍依赖于主观的视觉观察和患者报告的不适感，这两者在临床环境中往往并不可靠。在这项研究中，我们提出了一种柔软、可穿戴且无线的打印应变传感器设计，用于实时监测输液引起的组织肿胀。该传感器使用基于铜的导电墨水直接打印在可拉伸基材上，具有同心圆形电极几何结构，从而实现各向同性的应变敏感性。在10%的应变下，其灵敏度高达1472，响应时间约为72.4毫秒，恢复时间约为70毫秒。该设备与基于ESP32的无线模块集成，用于连续测量电阻并将数据实时传输到自定义的图形用户界面。通过参数优化和多点肿胀实验，确定了五环配置（n=5）为最佳设计，能够检测到大约0.5毫升的最小肿胀体积。这些发现表明，所提出的系统提供了一种低成本、干扰小且高度敏感的早期渗漏检测解决方案，在常规临床监测中具有巨大潜力。

引言

静脉（IV）治疗是现代临床实践中最常见的医疗程序之一[1]；然而，诸如渗漏等并发症（定义为输液液体或药物意外泄漏到周围组织中）仍然是一个重要的安全问题。渗漏可能导致严重的后果，包括组织坏死、筋膜室综合征和长期的功能障碍，尤其是在使用刺激性药物时。尽管渗漏在临床上非常重要，但其早期检测主要依赖于人工视觉观察和患者报告的不适感，这两种方法都是主观的、延迟的，并且在患者处于无意识状态、新生儿护理或高风险化疗期间不可靠[2]，[3]。

目前，渗漏的预防主要依赖于视觉观察和患者反馈，这些方法本质上具有主观性，缺乏定量准确性。为了解决这一限制，已经探索了多种传感技术[4]，包括生物阻抗[5]，[6]，[7]，温度[8]，[9]，[10]，射频/微波[11]，光学成像[12]，超声监测[13]，液体压力[14]，[15]和皮肤变形[16]，[17]。然而，这些系统通常受到笨重仪器、有限的传感响应范围或对静脉部位视觉观察的干扰的限制，以及缺乏连续无线监测能力。因此，仍然迫切需要一种柔软、低成本且干扰小的可穿戴传感器，以实现早期渗漏事件的连续、无线和实时监测。

打印电子技术作为制造下一代可穿戴医疗监测系统（WHMS）的有希望的解决方案，受到了广泛关注。打印技术，包括喷墨打印[18]，[19]，直写打印[20]，凹版印刷[21]，以及丝网印刷[22]，[23]，[24]，能够将导电、介电和传感材料沉积在聚合物[20]，纺织品[25]甚至人体皮肤[26]等柔性基材上。这些技术具有许多优势，如低成本大规模生产、机械灵活性、轻量化设计以及将多个传感器集成到单一平台中。最近，使用完全回收材料的混合应变传感器和先进的制造策略进一步扩展了可穿戴电子产品的应用范围。例如，已经开发出能够同时监测温度和关节运动的双功能贴片，为人类医疗保健提供了经济高效的解决方案[27]。为了实现更高的分辨率和灵敏度，采用了多喷嘴电液动力（EHD）喷墨打印等先进技术，制造出能够精确检测细微生理信号（如手指弯曲）的柔软可穿戴电路[28]。此外，金属/聚合物复合传感膜的发展，如PEDOT:PSS与银纳米颗粒的结合，使得完全喷墨打印的传感器具有高耐用性和灵敏度，能够实现实时运动检测[29]。

基于这些材料系统和功能集成的进展，电阻型应变传感器因其在机械顺应性、皮肤贴合性和检测局部表面变形的能力而受到广泛关注。通过利用应变-电阻效应[30]，这些传感器将机械应变转换为可测量的电信号，从而实现连续和非侵入性的细微生理变化（如皮肤肿胀）的监测。在渗漏检测的背景下，尽管临床输注的液体在粘度、渗透压或化学成分上可能有所不同，但早期的生理表现主要是局部皮下体积膨胀，导致皮肤向外变形。从生物力学的角度来看，这种初始反应主要由体积位移决定，而不是液体的具体物理化学性质。因此，基于应变的传感策略提供了一种与液体无关的检测机制，因为它直接将机械凸起转换为电信号。尽管具有这些优势，当前的应变传感技术仍面临关键限制，如方向敏感性[31]，[32]，复杂的制造过程以及与可穿戴无线系统的兼容性有限，这些因素共同阻碍了它们在临床环境中的实际应用。

为了解决上述挑战，我们在本工作中开发了一种专门用于早期渗漏检测的可穿戴、无线、直接打印的传感器系统。与仅依赖几何伸长的传统传感器不同，该设备采用了一种由打印颗粒网络内的微裂纹形成和传播控制的独特转换机制。这种机制能够高灵敏度地测量由皮下液体体积膨胀引起的局部皮肤拉伸应变。为了超越现有的线性或蛇形设计，该传感器采用了同心圆形电极几何结构。这种配置确保了各向同性的应变敏感性，使传感器能够均匀检测多方向的肿胀模式，而与方向无关。与依赖生物阻抗、温度或压力测量的现有方法相比，该设计直接将局部表面变形转换为电信号，同时消除了方向依赖性。这种设计通过实现全方向变形检测、高灵敏度和与无线可穿戴平台的无缝集成，推进了传感原理的发展。

材料

材料

氟橡胶（Daiel-G801）购自大金工业株式会社（日本）。甲基异丁基酮（MIBK）购自Alfa Aesar（美国）。铜颗粒购自厚地化学集团（台湾）。非离子聚合物氟化物表面活性剂（FC-4430）购自3M公司（美国）。离子液体1-乙基-3-甲基咪唑双（三氟甲基磺酰）亚胺（UR-EMIBTI，99%）按原样使用。所有材料均按原样使用，无需进一步纯化。

应变传感器的制造

打印电极的材料和形态表征

系统地研究了导电浆料的材料和电气特性，以评估其适用于可穿戴应用的潜力。如图2A所示，随着铜填料浓度的增加，打印样品的电阻率显著下降，特别是在55%至60%重量百分比的渗透区域。这一转变代表了连续导电网络的形成，这对于应变传感至关重要。值得注意的是，当填料

结论

总之，本研究提出了一种柔软、可穿戴且无线的打印应变传感系统，用于静脉治疗期间的早期渗漏检测。通过使用基于铜的导电墨水和同心圆形电极几何结构，该传感器实现了各向同性的应变灵敏度和高机电性能。材料和结构优化证实，电极几何结构在应变传递中起着关键作用，同心设计有效地消除了

CRediT作者贡献声明

杨晓玲：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。林允轩：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，验证，正式分析，数据管理，概念构思。廖英志：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了台湾国家科学技术委员会（NSTC 112–2221-E-002–026-MY3和113–2221-E-002–026-MY2）和台湾国立大学（NTU-CC-114L895102，NTU-CC-114L895105，NTU-CC-115L893802，NTU-CC-115L893805）的支持。

林允轩是台湾国立大学化学工程系的硕士研究生。她的研究重点是先进传感技术的开发与应用。