基于共晶溶剂的凝胶传感器设计与制备
摘要：随着物联网的蓬勃发展，柔性电子产品的出现开辟了新的电子领域的市场前景，在可穿戴设备、医疗和信息等领域体现出来了巨大的应用潜力。研究者提出了深共晶溶剂凝胶传感器。深共晶溶剂水凝胶具有高拉伸性，高敏感性和良好的导电性能。值得一提的是深共晶溶剂凝胶具有良好的自恢复性能，因此可以在人体运动，生物工程和可穿戴设备等方面进行运用。
关键词：水凝胶传感器 离子液体凝胶传感器 深共晶溶剂凝胶传感器
1.介绍
近些年来，随着物联网的蓬勃发展，柔性电子产品的出现开辟了新的电子领域的市场前景，在可穿戴设备、医疗和信息等领域体现出来了巨大的应用潜力。与传统的金属传感器相比柔性电子传感器具有独特的可变形性、便携性、装饰性等。新型的柔性电子传感器可以任意的弯曲、拉伸、扭曲，也可以在变形非常复杂的情况下，保持良好的灵敏度、集成性、可靠性等。因此，基于柔性电子传感器在健康检测、运动检测等方面发挥着非常重要的作用。柔性传感器成为了当前柔性电子部件主要研究的热门之一。传统的传感器主要在刚性和非柔性基板上制造，而硅基板的传感器是最常见的。虽然这些传感器具有广泛的应用，但它们具有一些不可避免的缺点，例如刚性，不灵敏性和不灵活性。到目前为止，已经使用了一些可弯曲和柔性材料（石墨烯，导电纱线或纤维纺织品和有机聚合物）。[1]目前有研究者基于二维导电材料柔性聚合物复合材料可穿戴传感器的研究。因为2D材料的原子厚度可以让其表现出优异且独特的物理化学性质。但是由于材料的大量填充会导致传感器的灵敏度、柔性和机械性能下降且成本较高。[2]虽然它们非常灵活，但需要改进它们的可扩展性，这大大限制了检测关节运动的能力。为了实现生理信号监测与人体皮肤和组织的长期整合，材料必须具有高度的生物相容性，导热性和摩擦特性等。
1.1 水凝胶传感器
水凝胶柔韧性，良好的生物相容性，优异可恢复性和电导性等。在生物工程发挥着不可替代的作用。因此成为了可穿戴传感器领域的研究热点。列如，中山大学付教授团队从水凝胶网络结构着手，一方面，在水凝胶网络中构建导电高分子网络，并在两个网络之间建立非共价作用，使导电网络与凝胶网络一起运动，同时提升其物理机械性能和导电性能。另一方面，合成了聚两性离子水凝胶，利用两性离子的强静电偶极单元，赋予水凝胶高强度、自修复和导电性能，同时能贴附在玻璃、塑料、皮肤等多种基底上。可以贴附在人体身上实时检测人体信号。因此研究者推出了许多水凝胶传感器。[3]南京工业大学的董晓臣教授团队制备了一种木质素增强的聚离子液体水凝胶。通过在聚离子液体水凝胶支链中引入木质素大大提高了水凝胶的亲水性和力学性能、电学性能，得到的聚离子液体水凝胶具有良好的拉伸性(1425%)，循环稳定性和韧性(132kPa)。该水凝胶做出来的传感器对于人体运动检测具有较高的灵敏度和较低的响应时间。此该凝胶传感器可以运用到医学检测当中，对医学检测作出重要的贡献。[4]由于目前的水凝胶传感器很难同时拥有高拉伸性、高敏感性和高自愈性等。同时水凝胶非常容易在室温和高温的条件下失水。因此这对水凝胶传感器可作为柔性传感器是一个非常巨大的问题。
1.2 离子液体凝胶传感器
离子液体凝胶是一种软性材料，由离子液体为分散介质，具有网络的三维分子结构。与水凝胶不同的是，离子液体凝胶具有离子导电性、不挥发性、热化学稳定性、广泛的工作温度范围等优点。因此可以在电子设备、能量储存装置、传动装置和传感器等领域得以广泛的运用。所以研究者们开发出一些离子液体凝胶传感器。列如，西安工业大学周宏伟教授团队研究出一种中空微球复合凝胶柔性传感器，他们通过在高分子交联网络中引入离子液体，构建成了超长拉伸且耐温的离子液体凝胶。该凝胶制成的传感器可以在高温的情况下工作下。[5]又比如中科院宁波材料所的陈涛团队通过疏水单体在疏水离子液体中聚合，制备出了具有全疏水结构的离子液体凝胶。在水性环境中，这种凝胶表面的疏水聚合物网络在疏水作用下集中，形成致密的疏水界面。从而有效阻断水分子的界面扩散，实现离子液体凝胶的抗溶胀功能。这类凝胶制成的传感器可以广泛的运用到海洋人体检测上。[6]但是，离子液体凝胶的力学性能较差且成本很高，因此不能广泛的运用到人们的生活中来。
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