濕度傳感是呼吸監測的一種重要的非侵入性策略，這是因為呼出氣流比吸入氣流溫度更高、濕度更大。因此，通過測量呼吸過程的濕度變化就可以監測呼吸頻率。濕度傳感器可通過將傳感材料嵌入柔性襯底來實現制備。熱塑性聚氨酯（TPU）靜電紡絲納米纖維具有比表面積大、孔隙率高、柔韌性好等特點，是常用的柔性襯底多孔材料。MXene具有優異的水敏性和導電性，使其非常適合作為濕度傳感應用中的傳感材料。

據麥姆斯咨詢報道，近日，西安交通大學附屬第一醫院與西安電子科技大學先進材料與納米科技學院的聯合科研團隊在Advanced Sensor Research期刊上發表了以“MXene/TPU Composite Film for Humidity Sensing and Human Respiration Monitoring”為主題的論文。該論文第一作者為西安電子科技大學的Tianqing Liu，通訊作者為西安交通大學附屬第一醫院的張廣健主任醫師、西安電子科技大學的吳巍煒教授和杜韜講師。

這項研究工作利用MXene優異的親水性和導電性，通過靜電相互作用將MXene納米片涂覆在殼聚糖改性的TPU靜電紡絲納米纖維上，制備了MXene/TPU復合薄膜，并基于此膜制備出濕度傳感器。基于由水分子濃度變化影響MXene納米片間距進而改變隧道電阻的原理，MXene/TPU濕度傳感器表現出響應速度快（12 s）、濕度響應范圍寬（11% - 94%相對濕度（RH））、遲滯低（< 7% RH）、可重復性高等諸多特點。該濕度傳感器可集成到口罩上，用于區分人體的不同呼吸模式，準確監測不同運動狀態時的呼吸頻率信號，在呼吸監測領域具有廣闊的應用前景。

研究人員通過在殼聚糖改性的TPU襯墊上涂覆MXene納米片，制備出MXene/TPU濕度傳感器。整個制備流程可分為三步（如圖1所示）：（1）制備Ti3C2Tx MXene納米片；（2）制備和改性靜電紡絲TPU襯墊；（3）制備MXene/TPU濕度傳感器。

圖1 MXene/TPU濕度傳感器的制備流程示意圖

接著，研究人員對所制備的MXene傳感材料和靜電紡絲TPU襯墊進行了測量表征，結果如圖2和圖3所示。

圖2 MXene傳感材料的表征

圖3 靜電紡絲TPU襯墊的表征

隨后，為了研究MXene/TPU復合薄膜的化學特性，研究人員采用X射線衍射（XRD）、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、拉曼光譜（Raman）和X射線光電子能譜（XPS）等技術對其進行表征，結果如圖4所示。這些結果驗證了MXene/TPU復合薄膜的成功制備，并可以作為濕度敏感材料。接下來，利用絲網印刷技術將Ag叉指電極集成于MXene/TPU復合薄膜，并通過銅線與外部電路相連接。

圖4 MXene/TPU復合薄膜的化學特性表征

MXene/TPU濕度傳感器的傳感機制原理圖如圖5所示。當濕度增加時，MXene納米片間距隨之增大，使得連接處的隧道電阻增加（如圖5右）。當濕度降低時，MXene納米片間距隨之減小，使得總電阻恢復（如圖5左）。

圖5 MXene/TPU濕度傳感器的傳感機制原理圖

基于以上濕度傳感原理，利用自制的傳感裝置對新制備的MXene/TPU濕度傳感器的濕度傳感性能進行性能表征，結果如圖6所示。該MXene/TPU濕度傳感器性能為：11% - 94% RH的濕度響應范圍、< 7% RH的遲滯、高可重復性、最快12 s的響應速度。

圖6 MXene/TPU濕度傳感器性能表征

最后，為了從人體呼吸中分析生理信息，研究人員將MXene/TPU濕度傳感器集成到口罩中，相關測試結果如圖7所示。圖7a至圖7c是佩戴集成濕度傳感器口罩的單一受試者的三種典型呼吸模式的監測結果。圖7d至圖7h結果表明，MXene/TPU濕度傳感器可用于人體呼吸監測，在休息和不同運動狀態下都能提供有價值的呼吸監測信息。

圖7 利用集成MXene/TPU濕度傳感器的口罩進行呼吸監測的測試結果

綜上所述，研究人員利用靜電相互作用在殼聚糖改性的TPU靜電紡絲納米纖維上涂覆MXene納米片，成功制備了MXene/TPU濕度傳感器。通過SEM、EDS、XRD、FT-IR、Raman和XPS等方法對MXene/TPU復合薄膜的形貌和化學特性進行了表征，證實了MXene傳感材料與TPU襯底的有效結合。MXene/TPU濕度傳感器具有響應速度快、濕度響應范圍寬、遲滯低、可重復性高等良好性能。研究人員還將該濕度傳感器集成到口罩中，用于識別不同的呼吸模式，并準確監測不同運動狀態下的呼吸信號。通過模擬由水分子濃度變化對MXene納米片間距的影響進而改變隧道電阻的過程，該論文解釋了濕度傳感原理。這項研究工作不僅為濕度傳感器的研發提供了新視角，也為基于電阻變化的MXene/聚合物傳感器的開發提供了新思路。

審核編輯：劉清