氧化石墨烯在人体健康领域的新突破！用于湿度传感器以实时监测呼吸

呼吸是人体重要的生理过程，是人体健康的重要标志。湿度传感器是一种很有前途的基于人体呼吸时湿度变化来监测呼吸的方法。
华中科技大学廖广兰、刘欢等相关研究人员开发了用于实时呼吸监测的基于Cu(OH)2纳米线和氧化石墨烯(GO)的石英晶体微天平(QCM)湿度传感器。采用原位生长和压铸法制备了Cu（OH）2纳米线/ GO复合材料湿敏膜。Cu（OH）2纳米线/ GO复合材料的形貌和结构通过能量色散谱仪（EDS），拉曼光谱，傅立叶变换红外光谱（FT-IR），X射线衍射（XRD），扫描电子显微镜（ SEM），透射电子显微镜（TEM），高分辨率TEM（HRTEM）和能量色散X射线光谱仪（EDXS）。具有大表面积和丰富的富氧官能团的纳米复合材料拥有良好的湿度感测性能。当相对湿度(RH)在0 ~ 80%之间变化时，设备表现出高灵敏度(52.1 Hz/%RH)、快速响应和恢复(分别在1.9 s和7.6 s内)和高线性度(R-2 = 0.9968)。相关研究成果以“Cu(OH)(2) nanowires/graphene oxide composites based QCM humidity sensor with fast-response for real-time respiration monitoring”为题发表在《SENSORS AND ACTUATORS B-CHEMICAL》上。
图1. 基于QCM湿度传感器的Cu（OH）2纳米线/ GO复合材料的示意图：（a）在QCM的表面上溅射Cu，（b）被Cu覆盖的QCM，（c）在25℃以下，浸入NaOH和(NH)4S2O8水溶液中，置于加热板上原位生长的Cu（OH）2纳米线 ，（d）覆盖QCM的Cu（OH）2纳米线，（e）通过压铸法沉积GO，以及（f）基于QCM湿度传感器的Cu(OH)2纳米线/氧化石墨烯复合材料。
此湿度传感器可以区分不同的呼吸模式，包括正常呼吸，呼吸暂停，口语，鼻子和嘴巴的呼吸以及饮水前后的湿度变化，显示出在分析人类健康状况方面的潜在应用。
图2.（a）戴着口罩的人的照片，里面装有基于QCM湿度传感器的Cu（OH）2纳米线/ GO复合材料。红色圆圈的位置是传感器。传感器对（b）正常呼吸和呼吸暂停，（c）正常呼吸和说话，以及（d）鼻子呼吸和嘴呼吸的动态响应。
图3. 传感器对口呼吸的动态响应(a)进水前(b)进水后(c) 15min后(d)三个过程的对应统计结果。
本文亮点

  • 首次使用Cu（OH）2纳米线和氧化石墨烯作为湿度传感器的传感膜。

  • 此湿度传感器具有较短的响应时间（1.9 s）和恢复时间（7.6 s）。

  • 演示了此湿度传感器在呼吸监测中的潜在应用。

DOI: 10.1016/j.snb.2019.127313
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