ACS NANO：一种基于TPU/石墨烯涂层的PEDOT:PSS纤维的温度传感器

第一作者：Wei Fan

通讯作者：Yi Li，Wei Fan

通讯单位：曼彻斯特大学，西安工程大学

DOI: 10.1021/acsnano.3c04246

背景介绍

体温是指身体内部的温度。相对恒定的体温是维持人类正常生活活动的重要条件之一。正常人的腋下温度为36.2–37.2°C。体温超过41°C或低于25°C会对所有身体系统，特别是神经系统的功能产生严重影响，甚至可能威胁生命。例如，在中国甘肃举行的2021年马拉松100公里越野赛中，21名参赛者因天气突变导致体温过低死亡。体温的正常调节会因各种疾病而受损，从而导致体温变化。因此，密切监测体温并观察任何变化以帮助诊断和预防某些疾病是至关重要的。

体温可以通过口腔测量、腋窝测量和肛门测量来测量。腋窝法由于其简单性而代表了最广泛使用的方法。然而，传统的水银和医用电子体温计用于检测腋下温度的反应较慢（≥1分钟）。众所周知，温度传感器的响应时间越小，就越快提供人体温度的反馈，有利于快速医疗。此外，这些温度计由于其刚性，不能长时间佩戴以实现连续的温度监测。自从引入柔性可穿戴技术以来，柔性温度传感器由于其灵活性和良好的接口兼容性而受到了极大的关注。然而，目前的大多数柔性温度传感器都是在不可渗透的薄膜基底上构建的，如PDMS和PET，当长时间连接时，会导致汗液积聚在人体皮肤上，在极端情况下甚至可能引起皮肤炎症。由于其灵活性、透气性、可穿戴性以及与纺织品的良好兼容性，基于纤维的温度传感器可以实时检测发烧、伤口愈合和心血管疾病，这对那些不能说话或感觉自己的人很有用，如婴儿、聋人和患有阿尔茨海默病的老年患者。

温度敏感纤维的温度传感材料包括金属（银、铜和铂等）、碳基材料（碳纳米管（CNTs）、氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯）和导电聚合物（聚（3，4-亚乙基二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）和聚苯胺（PANI）等）。通常，理想的人体传感器将在至少0.1°C的分辨率下提供高灵敏度和短响应时间。然而，目前基于光纤的温度传感器还没有达到理想的水平。PEDOT:PSS具有负温度系数、高线性（≥0.97）、优异的导电性（高达6200 S/cm）和良好的生物相容性，是制备纤维基温度传感器的理想材料。然而，PEDOT:PSS纤维作为一种聚合物，受湿度的影响很大，因此在人体出汗后很容易导致测量不准确。因此，开发一种快速响应、抗武器干扰、高分辨率的PEDOT:PSS温度敏感光纤是实际传感应用的迫切需要。

PEDOT:PSS纤维通常是用丙酮或异丙醇（IPA）作为凝固浴通过湿法纺丝制备的。然而，使用单一凝固浴制备的纤维由于其低电导率而表现出较差的温度传感性能。幸运的是，二甲基亚砜（DMSO）可以通过减少PEDOT:PSS之间的库仑相互作用和增加载流子浓度来增加PEDOT:PPS的电导率。研究发现，二甲基亚砜浓度对PEDOT:PSS纤维电导率的影响尚待研究。PU是一种防水材料，可以涂覆在导电材料上，以避免水分影响其导电性，但PU的导热性较差，这可能会阻碍体温传递到内部对温度敏感的纤维。另一方面，石墨烯具有优异的导热性和负温度系数，可以添加到PU中以提高其导热性。因此，假设在纤维外部具有石墨烯涂层的PU将有效地防潮，并将体温快速传导到内部纤维。

本文亮点

1. 本工作将湿法纺丝技术与浸渍技术相结合，一步制备了皮芯结构聚氨酯（PU）/石墨烯包封的聚（3，4-亚乙基二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）热敏纤维。

2. 复合纤维在30–50°C的温度传感范围内具有高灵敏度（−1.72%/°C）、超分辨率（0.1°C），快速时间响应（17 s）、抗武器干扰和高线性（R²=0.98）。

3. 舒适性和耐用性好的面料可以布置在布料的腋下位置，实现日常活动中不间断的实时体温监测。通过蓝牙无线传输，可以实时监测体温，并在手机上显示给父母或监护人。

图文解析

图1. PU/石墨烯包覆皮芯结构PEDOT:PSS纤维的制备与表征。（a） 复合纤维的制备图。（b） 复合纤维横截面的SEM图像。（c） 包装在卷筒上的复合纤维；（d） 打结的复合纤维。

图2. PEDOT:PSS纤维的性能：（a）纤维的SEM图像；（b） 纤维的放大图像；（c） PEDOT:PSS颗粒及其纤维的EDS图像；PEDOT:PSS颗粒和用不同凝固浴处理的纤维的FTIR光谱（d）和拉曼光谱（e）；（f） 用不同的凝固浴处理的纤维的电导率；（g） PEDOT:PSS颗粒和纤维在IPA/DMSO的2:1和3:1下的XPS光谱；（h） 纤维（IPA/DMSO=2:1）在水中洗涤不同时间前后的温度传感性能；（i） 纤维在不同凝固浴处理下的温度传感灵敏度。

图3. 复合纤维的表征和传感性能：（a）复合纤维的SEM图像；（b） 不同石墨烯含量的PU/石墨烯薄膜的超深显微镜照片；（c） 不同石墨烯含量的复合纤维的温度敏感性；（d） 不同石墨烯含量的PU/石墨烯薄膜的热导率（λ）和电导率（σ）；（e） 复合纤维在36.1–37.8°C温度范围内的电流曲线，增量为0.1°C；（f） 复合纤维与其他柔性温度传感器的温度传感灵敏度和分辨率比较结果；（g） 复合纤维的响应时间；（h） 复合纤维在不同温度下的电阻稳定性；（i） 复合纤维的循环稳定性。

图4. PU/石墨烯包覆PEDOT:PSS纤维及其织物的耐磨性。（a） 复合纤维在人工汗液中的电流稳定性；（b） PEDOT:PSS纤维在PU/石墨烯封装前后的拉伸性能，插图为织物的示意图；（c） 复合纤维弯曲3000次后的温度传感稳定性；（d） 用砂纸处理60次后织物的温度传感稳定性；（e） 不同织物的透气性和透湿性；（f） 织物的静态和动态悬垂性能。

图5. 红外热成像仪（a）和复合纤维（b）检测到的手臂温度；（c） 具有复合纤维作为基于织物的柔性温度传感器的织物的示例；（d） 用于智能医疗应用的基于织物的温度传感器的示例。