鲁东大学陈雪叶教授团队JMCA：复合纤维、高灵敏度，快速响应的用于人体健康监测的湿度传感器

呼吸疾病如COVID - 19、甲型流感、病毒性流感和哮喘等持续对人们的生活构成挑战，是必须解决的重要健康问题。可穿戴湿度传感器可监测呼吸状态和体表湿度，湿度作为一种生理信号，在反映人体健康状况方面起着至关重要的作用。柔性湿度传感器作为一种可以感知外部湿度变化的设备，可以测量因湿度变化产生的物理变化，并将其转化为电信号或其他方便检测的信号。其对外部湿度的检测依靠敏感材料完成，比如高分子聚合物、金属氧化物等等。其中某些新型纳米材料被广泛应用于传感器制造中。目前制备方法简单且具有高灵敏度称为决定柔性湿度传感器能否被广泛应用的重要因素，因此开发具有高灵敏度、制备简单的柔性湿度传感器具有重要意义。

近日，鲁东大学陈雪叶团队以2023级研究生梁奥勋为第一作者，陈雪叶教授为通讯作者在国际高水平top期刊《Journal of Materials Chemistry A》，IF=10.7, Q1,发表名为“Non-contact porous composite fiber paper-based humidity sensor for wearable breathing and skin humidity monitoring”的论文。研究者利用简单的制造工艺制备出具有快速响应功能的柔性纸基湿度传感器，利用CO2激光器制备出插值电极结构，并同时利用复合纸纤维等纳米复合材料制备了具有多孔纤维结构的柔性湿度传感器。该制备方法不受任何条件限制，具有广泛的适用性。

此外，所提出的多孔纤维纸基湿度传感器对 33%RH 至 98%RH 的气体湿度的微小变化表现出卓越的灵敏度，响应时间仅为 500 毫秒。这种高灵敏度和快速响应归因于独特的多孔纤维电极结构和湿敏基底，以复合纸纤维为基底，具有良好的柔韧性以及稳定性。该湿度传感器可以用于监测实验者的咳嗽、说话等生理状态，也能够监测不同的呼吸模式，例如Cheyne-Stokes呼吸、嘴和鼻呼吸、深浅呼吸，哈气等呼吸状态，同样的对于体表的水分蒸发程度亦能做出监测，该传感器检测了人的手掌和胳膊等体表的水分蒸发程度，研究结果表明该湿度传感器在人体健康监测领域具有良好的应用前景。

图文导读

图1.（a）整体结构（b）内部结构（c）非接触式湿度响应过程（d）实验环境（e）反应机制

图2.（a）制备流程，（b）XRD，（c）超景深显微镜观察纸和电极的表面，（d）PLFC物体和金属电极在空气中的电解氧化，（e）湿敏纸的SEM，（f）纸纤维孔隙电极的SEM

图3. PLFC的性能测试（a）湿度的线性拟合（b）在12%和43%湿度下的六个周期（c）不同湿度气体的对应幅度（d）润湿纸对不同湿度气体的对应幅度（e）电解氯化锂溶液（f）PLFC的响应（g）在75%湿度环境中由10%浓度氯化锂制成的PLFC（h）当存在一定量水分时PLFC的湿度响应（i）PLFC接触空气、75% RH气体和43% RH气体时的时间

图4. PLFC呼吸监测（a）呼吸监测示意图（b）Cheyne - Stokes呼吸（c）呼吸和暂停呼吸模拟感知性能（d）咳嗽后正常呼吸（e）分别通过鼻子、嘴巴和哈气呼吸（f）用不同语言说“Hello”（g）快速呼吸（h）深呼吸

图5. PLFC在人体皮肤湿度监测中的应用（a）PLFC应用场景和示意图（b）身体各部位的湿度响应和湿棉球的湿度响应（c）身体各部位水分散失的程度（d）手掌与PLFC不同距离对应的幅度（e）PLFC下方冷热水平的物理展示（f）PLFC中热水和冷水的响应

小结

本文提出一种基于纸的湿度传感器PLFC，以A4纸为基底结合PFCTe制备而成，具有宽检测范围、高灵敏度、快速响应、高稳定性及线性度等特点，其工作机理涉及离子移动与水分子反应，通过特殊结构和材料特性实现对湿度的敏感响应，在传感器制造与性能表征方面有详细阐述，性能测试显示其在不同湿度条件下的良好表现，可用于呼吸和皮肤湿度监测，在呼吸监测中能区分不同呼吸模式，在皮肤湿度监测中能感知不同身体部位湿度及水分蒸发情况，对健康监测和疾病追踪有重要意义，且制备成本低适合大规模生产，在可穿戴医疗技术领域有潜在应用前景。

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网址：

Journal of Materials Chemistry A, 2024, DOI: 10.1039/D4TA05393A

来源：高分子科学前沿

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