基于可“复活”传感器的科普实验设计

程 华，章佳萍，朱梦军，胡建鹏，曹华东，高 健，杨智宇，王方阔

(合肥师范学院 化学与化学工程学院，安徽 合肥 230601)

在医疗健康监测需求日益旺盛的今天，可穿戴电子设备在生活中越来越普及，得到了人们的广泛关注[1]。可穿戴设备主要被应用于汗液检测、人体运动监测和环境检测等领域[2-4]，其主要的核心部件是传感器。由于柔性传感器克服了传统刚性传感器坚硬不可弯曲的缺点，具有良好的柔性、导电性、拉伸性等特点，能更好地满足人体穿戴的需求[5]。因此，柔性传感器的应用是当前可穿戴电子设备领域的热点。但是，学生对柔性传感器的结构、工作原理了解甚少。为深入贯彻习近平总书记“要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置”[6]的指示精神，亟需引入相关的科普教育工作。

1 常用柔性传感器及存在问题

目前，常用的柔性传感器大多通过在高分子柔性基底材料中添加导电物质制得。例如，王志文[7]以聚苯胺(PANI)为导电组分，聚丙烯酸(PAA)、聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)、聚乙烯醇(PVA)为柔性组分，通过原位聚合和物理共混的方法构筑了具有高强度、较好拉伸性和温度响应性的水凝胶材料。利用水凝胶的导电性和柔韧性等特性，可以制备出较好的柔性应变生物传感器。但是，由于水凝胶传感器在长期使用过程中会受到应力冲击，导致其受到机械损伤，使用寿命缩短。

PVA具有稳定的物理、化学性能，经济环保、容易成膜，是一种常见且无害的水凝胶材料，其制成的水凝胶具有良好的柔性、自修复性、可拉伸性以及离子电导率，在柔性电极中应用广泛。所以，基于上述问题，可以取一种以PVA为基体、以碳纳米管为导电填料、使用硼砂进行交联制得的可自修复的水凝胶作为柔性应变生物传感器，用以检测人体的运动信息。

2 引入科普实验教学的意义

通过对生活应用案例进行科普讲解，借助偏光显微镜、电化学工作站和自制机器人电路三种手段对柔性应变生物传感器的导电性、拉伸性和自愈合性进行科普展示，使学生了解其工作原理；让学生通过观察传感器的自修复过程，感受化学材料的神奇之处。普及化学知识，弘扬科学精神，有助于提高学生对化学的兴趣，了解化学对社会发展的重要贡献，引导学生将先进科学技术与生活应用相关联，实现科技改善生活的目标。

3 科普实验设计

3.1 实验原理

PVA水溶液在常温下就可以通过溶液中的氢键形成水凝胶[8]，但是这种凝胶的力学性能很差，易变形。为了得到高强度且含水量较高的PVA水凝胶，可对其进行交联。交联方法可分为物理交联、辐射交联和化学交联[9]。其中，化学交联是采用化学试剂使其交联形成水凝胶[10]。

在可“复活”传感器的制备过程中，采用硼砂作为化学交联剂来交联PVA。首先在PVA中引入导电填料，通过加热搅拌使其均匀分散于PVA溶液中；再通过硼砂溶液进行交联得到可自修复柔性应变生物传感器。制成的传感器由碳纳米管在PVA聚合物内部通过缠绕、折叠的方式构成导电网络。当施加外力拉伸时，导电网络缠结结构松散，碳纳米管相互接触面积减小，降低了电子传输效率，电阻变大[11]。

3.2 实验试剂与仪器

实验中所用的试剂如表1所示，使用的仪器如表2所示。

表1 实验所需试剂

表2 实验所需仪器

3.3 实验步骤及方法

3.3.1 含碳纳米管聚乙烯醇溶液的配制

取一只干净的250 mL圆底烧瓶，向其中加入3.5 g PVA、1.5 g碳纳米管和45 mL去离子水，加入搅拌子；将其固定于油浴锅的铁架台上，同时安装球形冷凝管进行冷凝回流；在温度为95℃的条件下，加热3 h。得到含3 wt%碳纳米管的聚乙烯醇水溶液，待其冷却后密封，于室温条件下保存。

3.3.2 硼砂溶液的配制

取250 mL烧杯，向其中加入1 g硼砂、99 mL去离子水，搅拌溶解，得到1 wt%的硼砂溶液。

3.3.3 生物传感器的制备

所制备的导电水凝胶是通过PVA羟基基团和硼酸根离子交联形成的，PVA分子间有氢键作用，PVA与硼酸根离子之间形成了动态硼酸酯键[12]。取2 mL的含3 wt%的碳纳米管的PVA水溶液于培养皿中，再缓慢滴加1 mL的硼砂溶液，可制得能作为应变生物传感器使用水的凝胶。含碳纳米管的聚乙烯醇和硼砂反应原理如图1所示。

图1 含碳纳米管的聚乙烯醇与硼砂反应

3.4 性能测试

3.4.1 水凝胶的导电性能测试

为了测试水凝胶的导电性能，制作了一个机器人头像电路(图2)，其外圈为连有铜箔胶带的电路，内部的两个“眼睛”是含有水凝胶的电路，发现小灯泡成功被点亮，证实制备的水凝胶具有良好的导电性能。

图2 水凝胶的导电性能测试

3.4.2 水凝胶的拉伸导电性能测试

截取长为1 cm的导电水凝胶，进行人工拉伸，可观察到，制备的导电水凝胶可拉伸至原来的21倍(图3)，证实了该导电水凝胶具有良好的可拉伸性能。

图3 水凝胶的拉伸性能测试

为了考察该导电水凝胶拉伸后的导电性能，截取长为1 cm的水凝胶，先后拉伸100%、200%、300%、400%，实验发现，导电水凝胶依旧导电，小灯泡正常工作发光。如图4所示，实验制备的导电水凝胶在被拉伸后依旧可以让电路工作并点亮小灯泡，表明生物传感器不仅拥有良好的拉伸性且在被拉伸后依旧拥有良好的导电性能。

注：a拉伸100%；b拉伸200%；c拉伸300%；d拉伸400%图4 水凝胶的拉伸导电测试

3.4.3 水凝胶的自愈导电性能测试

为了验证水凝胶的自我修复功能，可以采取三种手段：偏光显微镜下的光学影像检测、手指关节上的运动检测、机器人头像电路检测。

3.4.3.1 偏光显微镜下的光学影像检测

裁取部分导电水凝胶，用刀片将其一分为二放在载玻片上，置于偏光显微镜下观察并截取自修复阶段的影像片段。图5是水凝胶在被完全切开后自愈合过程中具有代表性的光学显微镜影像图。在没有任何外力的帮助下，切割位置首先是从a恢复到b，由一条较宽的光学间隙带自修复为一条较窄的光学间隙带。再由b恢复到c，水凝胶基本恢复，在原来的切割处基本看不到间隙。结果说明所制备的水凝胶具有良好的自修复性能。

图5 水凝胶在室温下的自愈光学影像

3.4.3.2 手指关节上的运动检测

为进一步验证产品自愈合后的导电性，将水凝胶作为柔性应变生物传感器置于人体的关节处并与电化学工作站相连接，监测人体的运动状况。该水凝胶可随着手指弯曲发生相应的形变，使生物传感器的电阻值发生相应变化。当手指处于伸直的状态时，柔性生物传感器具有原始的电阻值，随着手指逐渐弯曲，生物传感器也随着弯曲，使导电网络发生变化，其电阻值也发生相应变化。

当发生断裂破损时，其电信号如图6所示。在初始状态，生物传感器处于正常导电状态，当生物传感器在手指上遭到破坏时，通过电化学工作站检测发现其电阻值急剧增大。随后，生物传感器发生自愈合，其电阻值逐渐降低，并最终回到初始值。这充分说明生物传感器有良好的自愈合能力，并在柔性电子设备上有较大的应用潜力。

图6 生物传感器破损后自修复的电阻变化过程

3.4.3.3 机器人头像电路检测

如图7所示，本着易操作、有趣味的原则，截取1×1cm2的导电水凝胶放在完整电路中，施加3V的电压后，机器人头像的三个完整电路均可正常工作，小灯泡被成功点亮；将机器人“左边眉毛”的生物传感器切断分开后，小灯泡立即熄灭，电路呈现开路状态，机器人左边眼睛处于熄灭状态，右边眼睛正常发光。随后，水凝胶渐发生自我修复，一段时间后，电路正常工作，左边小灯泡再次被成功点亮。说明其结构和导电性完成了自修复过程，使得传感器“复活”。

图7 水凝胶自愈合导电性能研究

3.5 实验数据处理

要对所得产品的导电性能进行分析，可以通过自制的机器人电路观察小灯泡的亮暗程度；对其拉伸性能进行分析，可取1cm3的水凝胶进行拉伸并计算其断裂伸长率，断裂伸长率=[(L-L0)/L]*100%(其中，L0为截取的初始长度，L为拉伸后的最大长度)，并将所得数据与材料数据进行对比分析；为测试其自修复性能，可将取得的1cm3的水凝胶切开后放置在自制的机器人电路中，利用秒表计量小灯泡由熄灭恢状态复至点亮状态所花费的时间，并进行相应分析。

4 实验研究拓展

根据教学内容，教师可引导有兴趣、有想法、有能力的学生进一步研究拓展。例如，可更深入地向学生介绍传感器的工作原理，深入讲解所涉实验产品的内部空间网络；让学生进一步查阅资料，思考还可以通过什么方法对水凝胶的导电性能、拉伸性能以及自修复性能进行进一步的优化。研究内容的拓展有利于让学生感受到科学世界的奥妙，同时有助于培养学生发现问题、独立思考、解决问题等多方面的能力。

5 结语

针对传统传感器存在的不足以及柔性可穿戴传感器研究现状，选择了与人体皮肤相容性好的水凝胶材料，构建了可自修复的柔性应变生物传感器。材料中的聚乙烯醇和四羟基硼酸根离子之间的交联能引入动态共价键，通过动态断裂与重建实现材料的自修复。通过偏光显微镜、电化学工作站和机器人电路三种手段，可以证实生物传感器在遭到破坏后，其结构和导电性能可以实现自我修复。使用该方法制备出的柔性可穿戴式应变传感器可直接附着在人体表面，用于手腕、手肘、关节等部位的运动监测，实现个人医疗监测和人机交互。通过将学科前沿知识作为科普实验素材，在普及科学文化知识的同时，还能激发学生的学习兴趣、培养学生创新设计能力、引导学生将先进科学技术与生活应用相关联，实现科技改善生活的目标。