近日，我院材料物理研究所金刚石光电材料与器件团队在碳纳米点湿度传感器研究方面取得进展，相关成果以“Carbon nanodot-based humidity sensorsfor self-poweredrespiratory monitoring”为题发表在国际知名期刊《Nano Energy》上。论文第一作者为我院2021级博士研究生秦金旭，通讯作者为我院杨西贵副教授，董林教授和单崇新教授。
呼吸是人类最重要的生命体征之一，可以提供重要的健康信息，预测潜在的疾病风险。由于呼吸过程中口鼻周围相对较高的湿度，检测吸入和呼出过程中的湿度变化能够实时监测呼吸行为。目前，许多湿度敏感材料，如聚合物，半导体和钙钛矿等已经被用于湿度传感。然而，大多数这些传感器件往往存在成本高、灵敏度低、生物毒性大、依赖于传统电池或外部电源等问题。因此，开发低成本、灵敏度高、自供电的实时呼吸监测系统十分重要。
碳纳米点(CDs)作为一种重要的碳基纳米材料，具有制备成本低、生物相容性好等特点。此外，CDs还具有较大的比表面积和丰富的亲水官能团，有利于捕获大量的水分子实现对湿度的高灵敏传感。基于此，我院研究人员以柠檬酸为前驱体合成具有亲水性表面的CDs，并制备了CDs基湿度传感器。研究发现，该器件具有高的灵敏度、优越的稳定性和重复性。基于其优异的性能，结合摩擦纳米发电机(TENGs)进一步开发了自供电的呼吸监测系统。该系统利用TENG收集呼吸过程中产生的机械能，将其转化为电能供给湿度传感器探测呼吸产生的湿度变化，达到了自供电、低成本、实时呼吸监测的目的。且该传感器可以贴敷到口罩表面，从而实现能监测呼吸状况的智能口罩。上述研究成果为开发低成本、可用于自供电的人体呼吸实时监测系统提供了新的思路。
该工作得到了国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程、河南省杰出外籍科学家和郑州大学优秀青年人才创新团队计划的支持。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522006267
图a为贴敷于口罩上的碳纳米点湿度传感器用于呼吸监测的示意图；图b和c为呼出的水分子被传感器中的碳纳米点吸附并引起导电增加的示意图及其数据；图d和e为水分子被吸气过程从碳纳米点表面脱附并导致其导电下降的示意图及其数据；图f为碳纳米点基湿度传感器在急促呼吸、正常呼吸，以及深呼吸时的响应曲线。
