Page 50 - 《精细化工》2023年第11期
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·2362·                            精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 40 卷

                 为提高生物质基水凝胶的应用性能，WANG 等                 [67]   检测中表现出特殊的协同效应。在 80%相对湿度下，
            提出将聚乙烯醇（PVA）溶解在氯化胆碱基（DES）                          复合传感器对 50 μL/L NH 3 的响应达到 8.4，可用于
            中作为水凝胶基质，获得 DES/PVA/纤维素纳米晶体                        检测 0.5  μL/L NH 3 。为了制备具有适用检出限的气
            （CNCs）/石墨状氮化氮纳米片（g-C 3 N 4 ）水凝胶（如                  体传感器，LIU 等      [73] 利用室温下的湿度激活机制，
            图 7 所示）。该水凝胶具有优异的机械性能，包括优                          以聚-L-天冬氨酸（PAA）和 L-谷氨酸（GA）为传
            异的拉伸强度（2.55 MPa）、伸长率率（1200%）和                      感材料，研制了一种环保无毒的生物质水凝胶 NH 3
            拉伸模量（3.65 MPa），可以准确地检测手指、手腕、                       传感器，如图 8 所示。在 80%相对湿度（RH）的室
            肘部和膝盖等关节处的运动。之后，LI 等                  [68] 采用木     温下，对 50 μL/L NH 3 的响应可达 9.2%。研究中涉
            质素基碳作为导电填料设计压敏水凝胶（PSH），木                           及到的湿活化 NH 3 的传感机理包括酸碱吸附、NH 3
            质素基碳均匀分布在聚乙烯醇、羧甲基壳聚糖和纤                             溶解、电离、质子迁移和离子传导。HAO 等                  [39] 基于
            维素纳米纤维共同组成的复合水凝胶体系中。该复                             聚丙烯酰胺和壳聚糖制备了具有高机械性能（伸长
            合水凝胶的断裂抗拉强度和压缩应力分别为 133                            率>2000%）的杂化生物质基水凝胶。羧甲基纤维素
            kPa 和 37.7 kPa。TONG 等    [69] 利用烯丙基纤维素在            的加入使该水凝胶体系具有优异的 3D 打印流变性
            NaOH/尿素存在下由自由基聚合时产生化学交联制                           能。采用 3D 打印技术制备的样品具有更大的伸长
            备了纤维素离子水凝胶。该水凝胶可产生 126%拉伸                          率（>1000%）和更高的弹性模量（141.99 kPa），该
            应变，并显示出高柔韧性，可用于感知人体运动。                             传感器可以应用到 NH 3 的气体信号传感。












                       图 7   水凝胶制备的示意图       [67]
               Fig. 7    Schematic diagram of hydrogel preparation [67]

                 目前，生物质基水凝胶应变传感器普遍存在结                          图 8   在 NH 3 和不同湿度情况下的 PAA/GA 作用机制         [73]
                                                               Fig. 8    Proposed mechanisms in PAA/GA in the presence
            构稳定性差、自黏性弱、抗冻性和抗脱水性差等不                                   of NH 3  and different humidities [73]
            足，这些因素极大地限制了该类传感器在复杂环境
            条件下的潜在应变监测应用。因此，需要继续探索                                 目前，大部分生物质基水凝胶气体传感器的制
            升级传感平台，更加细化传感器件构成，使生物质                             备原料组分单一、响应恢复时间较长、气敏材料与
            基水凝胶应变传感器应用更加稳定和精确。                                传感器基板的接触强度不够、制备过程（通常需要
            2.3   气体传感                                         经过物理掺杂）容易产生相分离。因此，结合或研
                 气体传感是指用于探测特定气体成分浓度变                           发最新的生物质基水凝胶气体传感器制备工艺以实现
            化，并将其转换为输出的电信号变化。生物质基水                             高精确度、高结合性能以及良好应用性能势在必行。
            凝胶制成的气体传感器具有室温操作性强、拉伸性                             2.4   湿度传感
            能优异、透明度较高等特点，在 NH 3 、O 2 、CO 2 等                       湿度传感是指利用湿度敏感材料将湿度变化转
            气体检测方面具有广泛的用途              [70] 。为提高气体传感           换成输出的电信号变化。生物质基水凝胶可以快速
            器对 NO 2 的高选择性和灵敏度，WU 等              [71] 基于聚丙      吸收和保留大量水        [74] ，具有高灵敏度，在检测环境
            烯酰胺/卡拉胶双网络水凝胶制备了可伸缩气体传                             湿度方面被广泛应用。BIAN 等             [75] 开发了一种基于
            感器，发现该水凝胶在室温下对 NO 2 和 NH 3 气体高                     光纤和海藻酸钙水凝胶复合的新型光纤湿度传感
            度敏感。该双网络水凝胶传感器具有高灵敏度，拉                             器，对光纤芯进行刻蚀并涂上相同厚度的薄膜可使
            伸应变可以达到 1200%，在水凝胶溶剂中引入丙三                          传感器的灵敏度从初始的 0.0254 dBm/%RH 达到最高
            醇可以有效地将 NO 2 灵敏度提高 1.68 倍。之后，LIU                   的 0.3774 dBm/%RH。结果表明，该传感器能够适用
            等 [72] 选择了生物质水凝胶 L-谷氨酸和聚-L-谷氨酸                     于监测一整天（24 h）的室内环境湿度。为制备一
            作为复合敏感材料，提出了一种在 25  ℃潮湿环境                          种时速快、重复性好的湿度传感器，SOBHANIMATIN
                                                               等 [76] 开发了一种使用蛋白石水凝胶复合材料的新型
            中具有高灵敏度、安全无毒、绿色环保的电学 NH 3
                                                               快速比色湿度传感器。该传感器在干燥状态下是透
            传感器。L-谷氨酸和聚 L-谷氨酸在高湿度下的 NH 3
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