鲁东大学陈雪叶教授团队CEJ：基于激光诱导石墨烯用于人体健康监测的湿度/压力双模传感器

近日，鲁东大学陈雪叶教授团队在一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal  》，IF=13.3,发表名为“A novel dual-mode paper fiber sensor based on laser-induced graphene and porous salt-ion for monitoring humidity and pressure of human”的论文。研究团队利用激光诱导石墨烯的特性，结合多孔纸纤维的优势，制备出了柔性可穿戴双模湿度/压力传感器。该制备方法不受任何条件限制，具有广泛的适用性。

该传感器的纸纤维具有多孔性，其丰富的羟基基团为后续反应提供了基础条件。激光诱导石墨烯以纳米片结构嵌入纸纤维孔隙中，碳纳米管和石墨烯在羧甲基纤维素的作用下实现物理交联。这种独特的结构组合形成了稳定的纸纤维膜，构成了压力传感的核心架构。当外部压力施加于传感器表面时，纸纤维孔隙中的碳纳米管受到挤压。此时，碳纳米管会形成团聚结构，这些团聚体相互接触并与电极建立连接，从而构建起导电通路。随着压力的不断增加，电极与碳纳米管之间的接触面积逐渐增大，导电通路不断增多且更加稳定。这一过程导致电流传导更加顺畅，电阻发生变化，进而产生压力敏感信号。其原理基于材料的压阻特性，即压力改变了导电材料的微观结构，从而影响其电阻值，使得传感器能够敏锐地感知压力变化。

与此同时分布在纤维孔隙内的离子粒子在湿度传感中起着关键作用。这些离子能够自由穿梭于由石墨烯和纸纤维构成的孔隙网络中。纸纤维中的羟基等亲水官能团与离子协同作用，对空气中的水分子具有很强的捕获能力。当环境中存在一定湿度时，水分子被吸引并进入纤维孔隙。激光诱导石墨烯的片状结构不仅增强了整体结构的韧性，还为离子和水分子的传输提供了良好的支撑。进入孔隙的水分子在离子的协助下，向湿度敏感电极迁移。在湿度敏感电极处，水分子发生解离，产生氢离子等带电粒子。这些带电粒子参与化学反应，导致电极表面的电荷分布发生变化，从而产生湿度敏感信号。该信号通过电极传导，实现了对湿度的监测。为了防止压力和湿度信号在测量过程中相互干扰，研究人员采用了独特的电极结构设计。将湿度敏感和压力敏感电极层垂直分离，使得两种信号的传输路径互不影响。湿度敏感电极专注于捕捉湿度相关的电化学信号，而压力敏感电极则主要响应压力引起的导电通路变化。这种垂直分离的结构确保了压力信号和湿度信号能够独立产生和传输。在传感器工作时，压力信号沿着压力敏感电极传导，其大小和变化仅与外部压力对传感膜的作用相关；湿度信号则通过湿度敏感电极传导，其产生源于水分子在湿度敏感电极处的化学反应。两者的传输路径和产生机制完全不同，从而有效地实现了信号解耦，保证了传感器能够准确、稳定地同时监测压力和湿度

图文部分导读

图1：（a） 压力和湿度传感器-FLCT 工作机构的示意图，（b） 结构显示，（c） 激光诱导石墨烯和激光加工的 PMMA 模板，（d） 应用示意图，以及 （e） 实验制备过程。

图2：性能表征 （a） 等效电路 （b） 不同纸张含量的伏安特性曲线 （c） LIG 和纸张的 XRD 表征 （d） LGTP 和无 LIG 的 LGTP 的 XRD 表征 （e） 不同放大倍率下双模传感薄膜的 SEM 图像

小结

本研究提出的双模态碳纸纤维传感器（LGTP）创新性地结合了水合电化学性质和压阻原理，通过精心设计的结构和材料组合，实现了湿度和压力的双监测功能。该传感器具有高灵敏度（4.2KPa⁻¹）、快速响应（300ms）、良好恢复（200ms）、宽线性范围（19.6Pa - 39.2KPa）和高线性度（R12 = 0.94，R22 = 0.99）等显著优点。在湿度监测方面，对高湿度气体响应敏感且具有良好的抗串扰能力；在人体健康监测应用中，能够准确监测呼吸率、体表水分蒸发和运动状态等多种生理参数，与人体皮肤紧密贴合，在长时间佩戴过程中保持稳定性能。这一研究成果为患者康复护理、健康管理和运动监测等领域提供了强有力的技术支持，为未来可穿戴传感器的发展提供了重要的参考范例，具有广阔的应用前景和重要的科学价值。