摘要：呼吸作为生物体与环境间气体交换的基本生命体征，蕴含着丰富的生理和病理信息，是反映个体健康状况的重要指标。传统的呼吸监测方法主要分为有创和无创两类，有创方法虽然准确、稳定，但可能给患者带来不适并增加感染风险，而无创方法则通过体表传感器检测呼吸参数变化，具有操作简

中科院北京纳米能源所王中林院士&董凯研究员:一种防潮、防污、低信号衰减全纳米纤维自供电呼吸传感器

研究背景

呼吸作为生物体与环境间气体交换的基本生命体征，蕴含着丰富的生理和病理信息，是反映个体健康状况的重要指标。传统的呼吸监测方法主要分为有创和无创两类，有创方法虽然准确、稳定，但可能给患者带来不适并增加感染风险，而无创方法则通过体表传感器检测呼吸参数变化，具有操作简便、成本低廉等优点。然而，呼吸过程中湿气和杂质的积累会降低传感器性能。

针对这一挑战，本研究开发了一种全纳米纤维自供电呼吸传感器（ASRS），利用多层纳米纤维结构实现高稳定性和低信号衰减的呼吸监测。ASRS通过化学接枝增强疏水性和自清洁能力，保持了良好的电响应性能，能有效降低环境因素对传感性能的影响，同时保持佩戴舒适性。该传感器的集成为实时监测呼吸健康状态提供了新途径，对个性化医疗和智能家居领域具有重要意义。

文章概述

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士/董凯研究员团队在期刊在《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater. 2024, 2415421）上发表了最新的研究成果“ A Moisture-Proof, Anti-Fouling, and Low Signal Attenuation All-Nanofiber Triboelectric Sensor for Self-Powered Respiratory Health Monitoring”研究者提出了一种具有高输出稳定性和低信号衰减的全纳米纤维自供电呼吸传感器（ASRS），用于实时呼吸监测。

如图1所示，该ASRS采用多层纳米纤维堆叠结构，包括银纳米线（Ag NWs）、经超疏水处理的聚氨酯（TPU）纳米纤维和聚酰胺（PA）纳米纤维组装而成。超疏水处理是通过化学接枝低表面能的十八烷基三氯硅烷（OTS）到TPU纳米纤维表面，赋予ASRS优异的疏水和自清洁能力。通过优化电纺工艺制备的PA纳米纤维和TPU纳米纤维，以及均匀分散的Ag NWs网络，具有纳米纤维的三维自支撑网络结构提高了稳定的接触分离间隙。ASRS的接触界面的梯度随压力的增加而变化，表现出多级线性灵敏度响应趋势。在6.5 kPa的压力负荷下，ASRS展现出0.048 kPa-1的高响应灵敏度，响应时间为75 ms，恢复时间为85 ms。

在高湿度环境下，ASRS能有效降湿度对传感器电性能输出的影响，以及过滤和自清洁呼出气体中微小杂质，保持传感器的良好的机械稳定性和佩戴舒适性。此外，ASRS的集成应用在智能口罩中，能够实时和长期监测各种呼吸健康状态，包括呼吸道肺炎、精神状态、运动状态等。这项研究不仅提出了一种高稳定、低衰减的多功能自供电呼吸传感器，而且为日常生理监测、主动医疗保健和早期疾病预警提供了一种有效的自供电传感策略。

图 1. ASRS的结构设计和成分表征。

图 2. ASRS超疏水表面的改性机制和性能特征。

图 3. ASRS的工作原理和输出性能。

图 4. ASRS的超疏水性和防潮电气输出性能。

图 5. ASRS的自清洁性能。

图 6. 用于呼吸健康监测的ASRS应用演示。

结论：

本研究成功开发了一种具有超疏水和自清洁特性的高稳定性、低衰减自供电呼吸传感器（ASRS），适用于实时监测呼吸健康。ASRS利用三维纳米纤维网的自支撑结构，将呼吸动作转换为电信号，通过在TPU纳米纤维表面接枝OTS小分子，增强了传感器的超疏水性和自清洁能力，确保了在高湿环境下的长期稳定性。ASRS展现了0.048 kPa-1的高灵敏度、74 ms的响应时间和84 ms的恢复时间，能识别多种呼吸状态，对呼吸系统疾病的预防、监测和诊断具有潜在应用价值。

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来源：小茵说科技