可穿戴湿度传感器在无创诊断和非接触传感方面的发展前景越来越受到关注。然而，现有的湿度传感器大多数佩戴不舒服，并且需要复杂且成本高的制造方法，限制了它们在连续实时检测中的应用。本文通过静电纺丝和真空磁控溅射相结合，提出了一种将Ti3C2Tx MXene纳米片与热塑性聚氨酯（TPU）纳米纤维集成的全纳米纤维可穿戴湿度传感器，具有高灵敏度、快速响应和良好的抗干扰能力。得益于2D/3D多级结构和Grotthuss链式反应，该传感器表现出−91%的超高线性灵敏度、快速响应/恢复时间（<3.7 s）和宽传感范围（11−95% RH）。此外，该传感器具有便携性、灵活性、透气性和生物相容性，不受压力、温度和汗液的影响，有助于实时无创监测人体呼吸和皮肤湿度。此外，它可以对微弱的湿度变化做出显着且可重复的响应，这有利于非接触式湿度传感。最重要的是，组装了一个简单的湿度检测装置，用于早期预警与睡眠相关的疾病，并构建了人机交互界面（例如智能防盗报警器）作为概念验证。
 
Fig 1. Ti3C2TX 纳米片的制备和表征。 (a) Ti3C2TX 纳米片的合成。插图显示了 Ti3C2TX 纳米片在去离子水中的悬浮液的数码照片。 Ti3C2TX 纳米片的 (b) SEM 图像和 (c) TEM 图像。 (d) Ti3C2TX 纳米片的 SEM 图像。 (e) Ti3C2TX 纳米片的元素映射图像。 (f, g) Ti3C2TX 纳米片的 AFM。 Ti3AlC2 和 Ti3C2TX 纳米片的 (h) XRD、(i) 拉曼光谱和 (j) XPS。
 
Fig 2. Ti3C2TX/TPU纳米纤维膜的制备及表征。 (a) Ti3C2TX/TPU 的制备。 (b) 柔性 MTHS 在拉伸、弯曲、扭转和滚动时的数码照片。 (c, d) TPU 和 Ti3C2TX/TPU-10% 的 SEM 图像。 (e) Ti3C2TX/TPU-10% 的 SEM 图像。 (f) Ti3C2TX/TPU-10% 的 Ti 元素映射图像。 (g) Ti3C2TX/TPU 的 FTIR 光谱和 (h) XRD 光谱。
 
Fig 3. Ti3C2TX/TPU纳米纤维膜的性能。 (a) MTHS 的光学图像。 (b) Ti3C2Tx/TPU 的应力应变曲线和 (c) 水接触角。 (d) Ti3C2TX/TPU在不同时期(24−168 h)的渗透率比较。 (e) HaCaT 细胞在 Ti3C2Tx/TPU-10% 上的细胞活力；培养 96 小时的活（绿色）和死（红色）HaCaT 细胞的荧光图像。 (f) 在不同样品上培养的 HaCaT 细胞的 OD 值 (450 nm)。
 
Fig 4. MTHS的湿度响应性能。 (a)动态测试系统示意图。 (b) MTHS 的湿度响应。 (c) 不同 MTHS 在不同 RH 水平下的恢复曲线。 (d) MTHS-10 的响应恢复时间。 (e) MTHS-10 的滞后。 (f) 最近的研究和本工作报告的电阻型湿度传感器的性能比较。
 
Fig 5. MTHS-10的抗干扰能力。 (a) 不同湿度水平下 ΔR/R0 随温度的响应。 (b) 不同温度下ΔR/R0随湿度的响应。 （c）在25℃、30-60%RH的湿度范围内进行三个循环的加湿-除湿响应，以及在25-45℃、30%RH的温度范围内进行三个循环的加热-冷却响应。 (d) 相对电阻随压力和湿度的变化。
 
Fig 6. MTHS的湿度响应和传感机制。
 
Fig 7. MTHS 在非接触式反应和呼吸监测中的应用。 (a) 对距离 MTHS 上方 10 至 60 mm 的垂直平面内的手指移动的响应。 (b) 湿度传感器阵列的图像。 (c) 传感器阵列对手指湿气的响应。 (d) 与商业掩模集成的 MTHS 图像。 (e) 对人类呼吸的阻力反应。 (f) 当说“MXene”和“TPU”时监测口腔气流的阻力变化。 (g) 对鼻子呼吸和口呼吸的反应。
 
Fig 8. MTHS在无创实时监测中的应用。 (a) 面部水分与ΔR/R₀之间的关系。使用市售的皮肤湿度计来检测皮肤初始状态、洗脸后、保湿后的含水量。 (b)皮肤水分与ΔR/R₀之间的关系。 (c) MTHS 在检测汗液时的相对电阻变化（蓝色图）。将MTHS在汗液中浸泡24小时并干燥后的相对电阻用于比较（红色图）。 (d)呼吸监测示意图。 (e) 呼吸监测的阻力变化
 
       相关研究工作由北京服装学院 Bin Wang课题组于2023年在线发表在《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

转自《石墨烯研究》公众号