可穿戴濕度傳感器在無創(chuàng)診斷和非接觸傳感方面的發(fā)展前景越來越受到關(guān)注。然而，現(xiàn)有的濕度傳感器大多數(shù)佩戴不舒服，并且需要復(fù)雜且成本高的制造方法，限制了它們在連續(xù)實(shí)時(shí)檢測中的應(yīng)用。本文通過靜電紡絲和真空磁控濺射相結(jié)合，提出了一種將Ti3C2Tx MXene納米片與熱塑性聚氨酯（TPU）納米纖維集成的全納米纖維可穿戴濕度傳感器，具有高靈敏度、快速響應(yīng)和良好的抗干擾能力。得益于2D/3D多級結(jié)構(gòu)和Grotthuss鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，該傳感器表現(xiàn)出−91%的超高線性靈敏度、快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間（<3.7 s）和寬傳感范圍（11−95% RH）。此外，該傳感器具有便攜性、靈活性、透氣性和生物相容性，不受壓力、溫度和汗液的影響，有助于實(shí)時(shí)無創(chuàng)監(jiān)測人體呼吸和皮膚濕度。此外，它可以對微弱的濕度變化做出顯著且可重復(fù)的響應(yīng)，這有利于非接觸式濕度傳感。最重要的是，組裝了一個(gè)簡單的濕度檢測裝置，用于早期預(yù)警與睡眠相關(guān)的疾病，并構(gòu)建了人機(jī)交互界面（例如智能防盜報(bào)警器）作為概念驗(yàn)證。
Fig 1. Ti3C2TX 納米片的制備和表征。 (a) Ti3C2TX 納米片的合成。插圖顯示了 Ti3C2TX 納米片在去離子水中的懸浮液的數(shù)碼照片。 Ti3C2TX 納米片的 (b) SEM 圖像和 (c) TEM 圖像。 (d) Ti3C2TX 納米片的 SEM 圖像。 (e) Ti3C2TX 納米片的元素映射圖像。 (f, g) Ti3C2TX 納米片的 AFM。 Ti3AlC2 和 Ti3C2TX 納米片的 (h) XRD、(i) 拉曼光譜和 (j) XPS。
Fig 2. Ti3C2TX/TPU納米纖維膜的制備及表征。 (a) Ti3C2TX/TPU 的制備。 (b) 柔性 MTHS 在拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)和滾動時(shí)的數(shù)碼照片。 (c, d) TPU 和 Ti3C2TX/TPU-10% 的 SEM 圖像。 (e) Ti3C2TX/TPU-10% 的 SEM 圖像。 (f) Ti3C2TX/TPU-10% 的 Ti 元素映射圖像。 (g) Ti3C2TX/TPU 的 FTIR 光譜和 (h) XRD 光譜。
Fig 3. Ti3C2TX/TPU納米纖維膜的性能。 (a) MTHS 的光學(xué)圖像。 (b) Ti3C2Tx/TPU 的應(yīng)力應(yīng)變曲線和 (c) 水接觸角。 (d) Ti3C2TX/TPU在不同時(shí)期(24−168 h)的滲透率比較。 (e) HaCaT 細(xì)胞在 Ti3C2Tx/TPU-10% 上的細(xì)胞活力；培養(yǎng) 96 小時(shí)的活（綠色）和死（紅色）HaCaT 細(xì)胞的熒光圖像。 (f) 在不同樣品上培養(yǎng)的 HaCaT 細(xì)胞的 OD 值 (450 nm)。
Fig 4. MTHS的濕度響應(yīng)性能。 (a)動態(tài)測試系統(tǒng)示意圖。 (b) MTHS 的濕度響應(yīng)。 (c) 不同 MTHS 在不同 RH 水平下的恢復(fù)曲線。 (d) MTHS-10 的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間。 (e) MTHS-10 的滯后。 (f) 最近的研究和本工作報(bào)告的電阻型濕度傳感器的性能比較。
Fig 5. MTHS-10的抗干擾能力。 (a) 不同濕度水平下 ΔR/R0 隨溫度的響應(yīng)。 (b) 不同溫度下ΔR/R0隨濕度的響應(yīng)。 （c）在25℃、30-60%RH的濕度范圍內(nèi)進(jìn)行三個(gè)循環(huán)的加濕-除濕響應(yīng)，以及在25-45℃、30%RH的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行三個(gè)循環(huán)的加熱-冷卻響應(yīng)。 (d) 相對電阻隨壓力和濕度的變化。
Fig 6. MTHS的濕度響應(yīng)和傳感機(jī)制。
Fig 7. MTHS 在非接觸式反應(yīng)和呼吸監(jiān)測中的應(yīng)用。 (a) 對距離 MTHS 上方 10 至 60 mm 的垂直平面內(nèi)的手指移動的響應(yīng)。 (b) 濕度傳感器陣列的圖像。 (c) 傳感器陣列對手指濕氣的響應(yīng)。 (d) 與商業(yè)掩模集成的 MTHS 圖像。 (e) 對人類呼吸的阻力反應(yīng)。 (f) 當(dāng)說“MXene”和“TPU”時(shí)監(jiān)測口腔氣流的阻力變化。 (g) 對鼻子呼吸和口呼吸的反應(yīng)。
Fig 8. MTHS在無創(chuàng)實(shí)時(shí)監(jiān)測中的應(yīng)用。 (a) 面部水分與ΔR/R
0之間的關(guān)系。使用市售的皮膚濕度計(jì)來檢測皮膚初始狀態(tài)、洗臉后、保濕后的含水量。 (b)皮膚水分與ΔR/R
0之間的關(guān)系。 (c) MTHS 在檢測汗液時(shí)的相對電阻變化（藍(lán)色圖）。將MTHS在汗液中浸泡24小時(shí)并干燥后的相對電阻用于比較（紅色圖）。 (d)呼吸監(jiān)測示意圖。 (e) 呼吸監(jiān)測的阻力變化
相關(guān)研究工作由北京服裝學(xué)院 Bin Wang課題組于2023年在線發(fā)表在《ACS Applied Nano Materials》期刊上，Integrating Ti3C2Tx MXene nanosheets with thermoplastic polyurethane nanofibers as wearable humidity sensors for noninvasive sleep monitoring and noncontact sensing。
原文：
https://doi.org/10.1021/acsanm.3c01732
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
