哈工大（深圳）马星教授等Research：基于液态金属柔性电极和二硫化锡气敏材料的可穿戴无线设备用于实时的人体呼吸监测

化学与材料科学

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哈尔滨工业大学（深圳）马星教授的团队与哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所王荣国教授、电子科技大学郭劲宏教授合作，开发了一款基于液态金属柔性电极和二硫化锡气敏材料的可穿戴无线设备用于实时的人体呼吸监测，相关成果以“Liquid Metal based Epidermal Flexible Sensor for Wireless Breath Monitoring and Diagnose Enabled by Highly Sensitive SnS2 Nanosheets”为题发表在Research上。

Citation：Yifan Huang, Fan Yang, Sanhu Liu, Rongguo Wang, Jinhong Guo, Xing Ma, "Liquid Metal-Based Epidermal Flexible Sensor for Wireless Breath Monitoring and Diagnosis Enabled by Highly Sensitive SnS2 Nanosheets", Research, vol. 2021, Article ID 9847285, 13 pages, 2021. https://doi.org/10.34133/2021/9847285

研究背景

人体呼吸的状态监测及成分分析在降低呼吸骤停导致的高死亡率、慢性疾病前期诊断等方面具有重要的临床意义。目前，呼吸状态监测主要根据口鼻处气流的物理信号的变化（如压力、温度、湿度等），进行实时监测。而成分分析则通过荧光光谱、红外光谱、拉曼光谱等常见的化学分析仪器进行种类和浓度表征。在光谱分析中，口鼻处的气流产生的物理信息变化往往被认为是干扰信号而被降低甚至消除，因此很难同时实现呼吸状态监测和成分分析的功能。此外，为了对呼吸骤停等进行及时警报，需要对患者的呼吸状态进行实时监控。目前的分析设备体积较大，极大的限制了患者的日常活动，难以满足便携监测的需求。因此，开发出可以同时实现呼吸状态监控和疾病警报的无线设备，以及构建云端网络健康监测系统，对远程医疗护理领域具有重要的临床应用意义。

研究进展

该团队利用液态金属柔性电极、二硫化锡气敏材料、蓝牙无线传输装置，制备出用于人体呼吸监测的可穿戴设备。该设备对于人体呼出的水蒸气和一氧化氮具有高灵敏性和高特异性，可以实现人体不同呼吸状态的实时监测，以及高呼出一氧化氮浓度警报。

首先，利用液态金属墨水，制备出具有高柔性、高皮肤贴合性的液态金属表皮电极，并将该电极作为二硫化锡传感材料的承载电极，构建出可以直接贴附在人体皮肤上的可穿戴柔性传感器（图1）。

图1 液态金属表皮电极的构建以及电学性能表征

其次，利用水热法合成出二硫化锡气敏材料（图2）。该材料在室温下对于一氧化氮和水蒸气具有较高的灵敏度和快速的响应恢复速率。对其他呼出干扰气体，如氨气、氢气、甲烷、乙醇、丙酮等，具有较高的抗干扰性。并且，作为柔性传感器件，在不同弯折角度下，仍可保持良好的气敏响应（图3）。

图2 二硫化锡材料制备以及化学结构与形貌表征

图3 二硫化锡/液态金属传感器气敏性能表征

利用第一性原理计算，分析了二硫化锡对一氧化氮和水蒸气分子的高特异性的机理。并结合拉曼光谱，发现二硫化锡片层在吸附一氧化氮气体后会产生晶格畸变，验证了二硫化锡材料对于一氧化氮的强吸附作用（图4）。

图4 基于第一性原理计算的机理解释

最后，通过搭配数据处理分析系统与蓝牙传输模块，人体人中处的气流导致的电学信号变化可以实时传输至移动终端，实现了多患者呼吸状态实时监控。该设备全部质量仅11克，易于佩戴。并基于该设备，构建一种云基健康监测概念（图5）。

图5 无线呼吸监测设备及其实际监测信号，并基于该设备的云基多通道呼吸监测及哮喘警报概念展示

未来展望

本研究首先探究了液态金属电极在气体传感器领域的应用。液态金属电极具有良好的皮肤兼容性、柔性，在未来可以作为可穿戴人体信号监测传感器的通用平台。此外，利用目标气体的氧化还原性不同，同时实现呼吸状态监测和疾病警报，为未来的呼吸监测方式提供了新的思路。最后，作为一种便携式无线呼吸监测设备，为未来的云基健康监测，远程医疗等领域提供了技术支持。

原文链接
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/9847285/