睡眠几乎占我们生命的三分之一。然而，全世界有近10亿人患有睡眠障碍。长期睡眠障碍会影响人体的能量、情绪、注意力和身体健康，甚至会导致各种严重疾病，包括心肌梗死、中风、冠心病和糖尿病等。因此，实时监测睡眠状态对保持良好的健康至关重要。

由于水分子是呼出空气中的主要成分，许多研究工作都致力于通过湿度传感器实现对呼吸状态的实时无创睡眠监测。此外，检测皮肤湿度和出汗对帮助诊断睡眠相关疾病（如活动性肺结核）也具有重要意义。然而，传统的湿度传感器难以满足人类睡眠中快速增长的穿着舒适性要求，这会导致皮肤不适，甚至发炎和瘙痒。此外，目前大多数湿度监测技术无法同时实现高灵敏度、快速响应的抗干扰监测、生物相容性和舒适性，可穿戴式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。

近日，北京服装学院汪滨副教授团队在期刊《ACS Applied Nano Materials》上，发表了最新研究成果“Integrating Ti₃C₂T_x MXene nanosheets with thermoplastic polyurethane nanofibers as wearable humidity sensors for noninvasive sleep monitoring and noncontact sensing”。研究者通过静电纺丝和真空磁控溅射技术，将Ti₃C₂T_x MXene纳米片与热塑性聚氨酯（TPU）纳米纤维集成，制备了具有高灵敏度、快速响应和良好的抗干扰能力的全纳米纤维柔性湿度传感器MTHS。

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（<3.7s）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，并且不受压力、温度和汗液的影响，有助于对人体呼吸和皮肤湿度进行实时无创监测。此外，它可以对微弱的湿度变化做出显著和重复的响应，这有利于非接触式湿度传感。通过组装一个简单的湿度检测装置，并将其应用于睡眠相关疾病的早期预警，并构建了人机交互界面（如智能防盗报警器）作为概念验证。

图1：Ti₃C₂T_x纳米片的制备与表征。

图2：Ti₃C₂T_x/TPU纳米纤维膜的制备与表征。

图1显示了Ti₃C₂T_x MXene纳米片的制备过程及表征，制备的MXene具有明显的手风琴结构，并且单层MXene纳米片厚度约为1.1nm（图1f）。将制备成功的Ti₃C₂T_x  MXene纳米片结合静电纺丝技术构建具有2D/3D多级结构的Ti₃C₂T_x /TPU复合纳米纤维膜（图2），其中2D结构是指Ti3C2Tx MXene材料独特的二维结构，可以利用MXene表面丰富的亲水官能团通过氢键从大气中捕获水分子；而3D结构是指TPU纳米纤维膜网络结构，有助于水分子的快速吸附和解吸，降低湿度传感器的滞后。这种2D/3D多级结构显著提高了TPU纳米纤维膜对湿度的响应性和敏感性。

图3：MTHS的湿度响应性能测试。

图4：MTHS的抗干扰能力。

图3显示了MTHS的湿度响应性能，该传感器表现出了高灵敏度（-91%）、宽响应范围（11%~95% RH）、快速响应恢复时间（2.3 s/3.7 s）、低湿滞（13%）和循环稳定性（20个循环）。并且表现出了抗温度干扰和抗压力干扰的能力（图4）。

图5：MTHS的湿度响应和传感机制。

图5解释了MTHS的湿度响应机理，MXene表面含有丰富的官能团，有利于通过氢键从环境中捕获水分子，水分子以氢键形式吸附在Ti₃C₂T_x MXene的活性位点（亲水末端和空位）上，并逐渐积累形成液态水层。水分子在静电场中电离，H₃O⁺在水层中自发产生并在相邻的水分子之间转移。H⁺和H₂O形成H₃O⁺作为通过Grotthuss链反应进行质子跳跃的电荷载体（H₂O⁺H₃O⁺→H₃O⁺+H₂O），促进离子传输，使传感器的输出电阻降低，从而表现对湿度的响应。

图6：MTHS在非接触式响应和呼吸监测中的应用。

图6显示了MTHS在呼吸监测和非接触响应方面的应用潜力，借助于MTHS对湿度的敏感性和快速响应性，MTHS可以实现人体手势的读取，将MTHS与商用口罩集成，可以实时监测呼吸。此外，由于睡眠质量可以通过监测皮肤表面的出汗程度和呼吸信号来反映。因此，MTHS可以进一步开发，以监测睡眠期间的夜间出汗情况和呼吸状态，从而早期预警睡眠相关疾病。

图7：MTHS在无创睡眠监测中的应用。

MTHS还可以测量人体不同部位的皮肤湿度，如手臂、前额、腋下等（图7a-c）。作为阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（OSAHS）的一个重要测试标准，鼻孔气流监测结果可以直接反映睡眠期间的呼吸频率和强度。MTHS可以识别呼吸频率和强度的明显差异（图7d-e），可以准确识别暂停呼吸、正常呼吸、缓慢呼吸和深呼吸，表明MTHS可以实现在家中实时清晰地诊断夜间出汗和预警OSAHS疾病的发生。

总之，我们通过静电纺丝开发了一种可穿戴的全纳米纤维膜湿度传感器，得益于MTHS优异的湿度传感性能，有望用于呼吸监测、皮肤湿度检测、非接触式湿度传感等领域，并且在预警睡眠相关疾病方面有着巨大的应用潜力。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c01732

人物简介：

汪滨，副教授，硕士生导师，北京服装学院材料设计与工程学院。主要从事静电纺丝技术及功能纳米纤维材料和智能纺织品的应用基础研究。承担国家自然科学基金青年基金、北京市高等学校优秀青年人才培育计划项目、北京市委组织部优秀人才、北京市教育委员会科技项目及企业项目20余项。以第一作者/通讯作者发表SCI论文45篇（ESI高被引论文1篇）、EI论文10篇，申请中国发明专利15项、授权2项，出版著作1本。