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  近年來，多功能生物傳感器作為下一代智能柔性電子的重要組成部分引起了人們的廣泛關(guān)注。通過將濕度轉(zhuǎn)換為電信號的這類傳感器已被廣泛應(yīng)用于智能可穿戴設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測、電子皮膚和個性化健康監(jiān)測，極大地推動了柔性電子學(xué)的發(fā)展。然而，當(dāng)前大多數(shù)報道的柔性濕度傳感器主要由聚合物膜制成，其差的吸濕性、靈敏度低、濕強(qiáng)度差、透氣性差及制作工藝復(fù)雜等問題，限制了其在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。因此，迫切需要開發(fā)一種簡單有效的方法來制備一種對濕度敏感性高、濕強(qiáng)度好、耐久性長并且可讀的濕度傳感器。

圖1. 濕敏MC膜的制備:（a）劍麻; (b)接枝后的劍麻納米纖維素（MSF-g-COOH）,（c）MSF-g-COOH的TEM圖像;（d)）MC膜的制備方法;（e）濕敏MC膜的合成;（f）濕度敏感MC膜。

  針對提高器件濕強(qiáng)度、濕度敏感性和耐久性，陸紹榮教授團(tuán)隊通過對劍麻纖維素分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計，引入羧基基團(tuán)，提高劍麻纖維素的成膜性。同時采用檸檬酸（CA）進(jìn)行交聯(lián)，用一個簡單的方法制備了可持續(xù)的生物膜（MC），該生物膜具有快速的濕度響應(yīng)、良好的濕強(qiáng)度和耐久性。用該生物膜制作的電阻式濕度傳感器在重復(fù)干燥-噴水-干燥的過程中表現(xiàn)出良好的濕度傳感性能和穩(wěn)定的電信號輸出性能。

圖2.（a）MC膜浸泡在不同溫度的水中后的承重照片。

  在前期工作基礎(chǔ)上，由陸紹榮教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊將上述得到的劍麻納米纖維素（MSF-g-COOH）通過環(huán)境友好型的水溶劑加工，得到了可生物降解的呼吸濕度傳感器用膜材料。采用CA交聯(lián)后，MC膜在25°C潮濕環(huán)境中的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率明顯得到提高。并且MC膜浸泡在不同溫度（25°C，45°C，60°C，80°C，96°C）的水環(huán)境中都很穩(wěn)定，其承重性能良好。此外，該團(tuán)隊與湖南大學(xué)蔡仁教授團(tuán)隊展開合作，首次通過同步成人在不同運(yùn)動狀態(tài)下的呼吸實驗以及濕度可讀性，共同設(shè)計研究發(fā)現(xiàn)，MC膜中的CA可以產(chǎn)生額外的離子，顯著降低了MC膜傳感器在高（相對濕度）RH條件下的電阻。實驗結(jié)果表明在模擬快速呼吸的實驗中MC膜濕度傳感器的響應(yīng)/恢復(fù)時間達(dá)到了0.8 s/2 s（52?100% RH）。因此基于CA交聯(lián)后的劍麻纖維素膜在潮濕環(huán)境中保持了較好的濕強(qiáng)度和導(dǎo)電性。該工作為濕度傳感器在個人健康監(jiān)測和呼吸診斷分析方面的研究提供了新的思路。

圖3. MC膜濕度傳感器監(jiān)測的四種呼吸模式下的實時電阻變化率（ΔI/I0）；（a） 慢呼吸，（b）深呼吸，（c）正常呼吸，（d）是（c）的高倍放大圖像，（e）快速呼吸，（f）是（e）的高倍放大圖像。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Nano Letters上。論文的第一作者為桂林理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生張作才，目前在湖南大學(xué)蔡仁教授課題組進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)，共同第一作者為湖南大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士生陸天韻，通訊作者為蔡仁教授，共同通訊作者為桂林理工大學(xué)陸紹榮教授與墨爾本皇家理工大學(xué)楊丹研究員。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c02452

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