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，并且需要復雜且成本高的制造方法，限制了它們在連續(xù)實時檢測中的應用。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、快速響應和良好的抗干擾能力。得益于2D/3D多級結(jié)構(gòu)和Grotthuss鏈式反應，該傳感器表現(xiàn)出−91%的超高線性靈敏度、快速響應/恢復時間（<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，有助于實時無創(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的響應，這有利于非接觸式濕度傳感。最重要的是，組裝了一個簡單的濕度檢測裝置，用于早期預警與睡眠相關的疾病，并構(gòu)建了人機交互界面（例如智能防盜報警器）作為概念驗證。
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 的光學圖像。 (b) Ti3C2Tx/TPU 的應力應變曲線和 (c) 水接觸角。 (d) Ti3C2TX/TPU在不同時期(24−168 h)的滲透率比較。 (e) HaCaT 細胞在 Ti3C2Tx/TPU-10% 上的細胞活力；培養(yǎng) 96 小時的活（綠色）和死（紅色）HaCaT 細胞的熒光圖像。 (f) 在不同樣品上培養(yǎng)的 HaCaT 細胞的 OD 值 (450 nm)。
Fig 4. MTHS的濕度響應性能。 (a)動態(tài)測試系統(tǒng)示意圖。 (b) MTHS 的濕度響應。 (c) 不同 MTHS 在不同 RH 水平下的恢復曲線。 (d) MTHS-10 的響應恢復時間。 (e) MTHS-10 的滯后。 (f) 最近的研究和本工作報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。 (b) 不同溫度下ΔR/R0隨濕度的響應。 （c）在25℃、30-60%RH的濕度范圍內(nèi)進行三個循環(huán)的加濕-除濕響應，以及在25-45℃、30%RH的溫度范圍內(nèi)進行三個循環(huán)的加熱-冷卻響應。 (d) 相對電阻隨壓力和濕度的變化。
Fig 6. MTHS的濕度響應和傳感機制。
Fig 7. MTHS 在非接觸式反應和呼吸監(jiān)測中的應用。 (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。 (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。 (d) 與商業(yè)掩模集成的 MTHS 圖像。 (e) 對人類呼吸的阻力反應。 (f) 當說“MXene”和“TPU”時監(jiān)測口腔氣流的阻力變化。 (g) 對鼻子呼吸和口呼吸的反應。
Fig 8. MTHS在無創(chuàng)實時監(jiān)測中的應用。 (a) 面部水分與ΔR/R
0之間的關系。使用市售的皮膚濕度計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之間的關系。 (c) MTHS 在檢測汗液時的相對電阻變化（藍色圖）。將MTHS在汗液中浸泡24小時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
相關研究工作由北京服裝學院 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
