基于MXene/TPU复合薄膜的湿度传感器助力人体呼吸监测
2023-04-29 09:29:11 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员利用静电相互作用在壳聚糖改性的TPU静电纺丝纳米纤维上涂覆MXene纳米片，成功制备了一种新型湿度传感器。研究人员还将该湿度传感器集成到口罩中，用于识别不同的呼吸模式，并准确监测不同运动状态下的呼吸信号。
湿度传感是呼吸监测的一种重要的非侵入性策略，这是因为呼出气流比吸入气流温度更高、湿度更大。因此，通过测量呼吸过程的湿度变化就可以监测呼吸频率。湿度传感器可通过将传感材料嵌入柔性衬底来实现制备。热塑性聚氨酯（TPU）静电纺丝纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高、柔韧性好等特点，是常用的柔性衬底多孔材料。MXene具有优异的水敏性和导电性，使其非常适合作为湿度传感应用中的传感材料。
据麦姆斯咨询报道，近日，西安交通大学附属第一医院与西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院的联合科研团队在Advanced Sensor Research期刊上发表了以“MXene/TPU Composite Film for Humidity Sensing and Human Respiration Monitoring”为主题的论文。该论文第一作者为西安电子科技大学的Tianqing Liu，通讯作者为西安交通大学附属第一医院的张广健主任医师、西安电子科技大学的吴巍炜教授和杜韬讲师。
这项研究工作利用MXene优异的亲水性和导电性，通过静电相互作用将MXene纳米片涂覆在壳聚糖改性的TPU静电纺丝纳米纤维上，制备了MXene/TPU复合薄膜，并基于此膜制备出湿度传感器。基于由水分子浓度变化影响MXene纳米片间距进而改变隧道电阻的原理，MXene/TPU湿度传感器表现出响应速度快（12 s）、湿度响应范围宽（11% - 94%相对湿度（RH））、迟滞低（< 7% RH）、可重复性高等诸多特点。该湿度传感器可集成到口罩上，用于区分人体的不同呼吸模式，准确监测不同运动状态时的呼吸频率信号，在呼吸监测领域具有广阔的应用前景。
研究人员通过在壳聚糖改性的TPU衬垫上涂覆MXene纳米片，制备出MXene/TPU湿度传感器。整个制备流程可分为三步（如图1所示）：（1）制备Ti3C2Tx MXene纳米片；（2）制备和改性静电纺丝TPU衬垫；（3）制备MXene/TPU湿度传感器。
图1 MXene/TPU湿度传感器的制备流程示意图
接着，研究人员对所制备的MXene传感材料和静电纺丝TPU衬垫进行了测量表征，结果如图2和图3所示。
图2 MXene传感材料的表征
图3 静电纺丝TPU衬垫的表征
随后，为了研究MXene/TPU复合薄膜的化学特性，研究人员采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱（Raman）和X射线光电子能谱（XPS）等技术对其进行表征，结果如图4所示。这些结果验证了MXene/TPU复合薄膜的成功制备，并可以作为湿度敏感材料。接下来，利用丝网印刷技术将Ag叉指电极集成于MXene/TPU复合薄膜，并通过铜线与外部电路相连接。
图4 MXene/TPU复合薄膜的化学特性表征
MXene/TPU湿度传感器的传感机制原理图如图5所示。当湿度增加时，MXene纳米片间距随之增大，使得连接处的隧道电阻增加（如图5右）。当湿度降低时，MXene纳米片间距随之减小，使得总电阻恢复（如图5左）。
图5 MXene/TPU湿度传感器的传感机制原理图
基于以上湿度传感原理，利用自制的传感装置对新制备的MXene/TPU湿度传感器的湿度传感性能进行性能表征，结果如图6所示。该MXene/TPU湿度传感器性能为：11% - 94% RH的湿度响应范围、< 7% RH的迟滞、高可重复性、最快12 s的响应速度。
图6 MXene/TPU湿度传感器性能表征
最后，为了从人体呼吸中分析生理信息，研究人员将MXene/TPU湿度传感器集成到口罩中，相关测试结果如图7所示。图7a至图7c是佩戴集成湿度传感器口罩的单一受试者的三种典型呼吸模式的监测结果。图7d至图7h结果表明，MXene/TPU湿度传感器可用于人体呼吸监测，在休息和不同运动状态下都能提供有价值的呼吸监测信息。
图7 利用集成MXene/TPU湿度传感器的口罩进行呼吸监测的测试结果
综上所述，研究人员利用静电相互作用在壳聚糖改性的TPU静电纺丝纳米纤维上涂覆MXene纳米片，成功制备了MXene/TPU湿度传感器。通过SEM、EDS、XRD、FT-IR、Raman和XPS等方法对MXene/TPU复合薄膜的形貌和化学特性进行了表征，证实了MXene传感材料与TPU衬底的有效结合。MXene/TPU湿度传感器具有响应速度快、湿度响应范围宽、迟滞低、可重复性高等良好性能。研究人员还将该湿度传感器集成到口罩中，用于识别不同的呼吸模式，并准确监测不同运动状态下的呼吸信号。通过模拟由水分子浓度变化对MXene纳米片间距的影响进而改变隧道电阻的过程，该论文解释了湿度传感原理。这项研究工作不仅为湿度传感器的研发提供了新视角，也为基于电阻变化的MXene/聚合物传感器的开发提供了新思路。
这项研究获得陕西省重点研发计划（2022ZDLSF01-04和2020GXLH-Y-012）、中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室开放基金（LSL-1905）和山东省先进材料与绿色制造实验室（烟台）科学基金（AMGM2021A01）的资助和支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adsr.202300014
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