近日，中国计量大学光学与电子科技学院沈常宇教授团队，在《Chemical Engineering Journal》（影响因子13.4）上发表题为“High Sensitivity and Fast Response Wireless Humidity Sensor Enabled by MXene-Lys for Finger Proximity Detection and Health Monitoring Applications”的研究论文。成功开发出基于赖氨酸修饰MXene（MXene-Lys）的高性能无线可穿戴湿度传感器。这项突破性技术为解决传统传感器响应慢、灵敏度低等业界难题提供了创新方案。

随着个性化健康监测需求的日益增长，实时、精准的湿度传感技术成为了研究热点。湿度传感器在电子皮肤、柔性穿戴设备、呼吸监测系统等领域具有广泛的应用前景。然而，传统湿度传感器在响应速度、灵敏度和稳定性等方面存在局限，难以满足快速呼吸监测和近距离非接触感知检测等高要求场景的需求。针对这一挑战，研究团队以MXene为突破口，利用其高导电性和大表面积的特性，通过材料改性和器件集成双重创新，成功开发出新型湿度传感系统。这种基于MXene-Lys（赖氨酸修饰MXene）的传感器不仅显著提升了湿度传感性能，还为智能健康监测提供了全新的解决方案，为动态生理信号的精准捕捉开辟了新途径。

研究团队通过氢氟酸蚀刻Ti3AlC2前驱体制备了多层MXene基底，并采用赖氨酸分子插层结合氢氧化钠处理，成功开发出MXene-Lys复合材料。第一性原理计算显示，MXene-H2O的层间距为10.066 Å，而赖氨酸插入后层间距扩大至11.936 Å，增加了1.87 Å。XRD图谱中MXene和MXene-Lys的（002）峰分别位于8.26°和7.01°，对应的层间距分别为10.70 Å和12.60 Å，增加了1.90 Å，与理论预测基本一致。此外，赖氨酸分子结合氢氧化钠处理会引起MXene表面基团置换（氟基→羟基/氧基），材料的亲水性得到显著提升（X射线光电子能谱与傅里叶红外光谱分析）。密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示，改性后的材料对水分子的吸附能从-0.6991 eV提升至-1.0310 eV，增幅达48%，从微观层面阐明了灵敏度提升的机制。

研究人员认为，赖氨酸修饰的MXene表面形成了赖氨酸与水分子之间的氢键网络，促进了氢离子的扩散，同时增加的层间距为水分子的吸附和解吸提供了更宽的通道，显著增强了材料的湿度响应性能。基于该材料研制的传感器展现出卓越性能：其电阻响应值在20%-90%湿度范围内达30,161，响应/恢复时间分别缩短至0.22秒和0.45秒，滞后效应低至2.77% RH，连续20天运行性能波动小。实际测试中，该设备可精准探测9毫米内手指湿度变化（电流变化达百倍），区分1.2 Hz快速呼吸至0.5 Hz深慢呼吸模式差异，并通过蓝牙实现5.56小时连续运动监测（静坐、行走、跑步信号特征显著）。图1显示了构建MXene-Lys纳米复合材料的策略以及MXene和MXene-Lys的SEM和TEM图像。图2为MXene和MXene-Lys的XPS图像。图3为MXene和MXene-Lys的傅里叶红外光谱、XRD图以及根据第一性原理预测的层间距。图4为该传感器不同湿度下的响应曲线、稳定性、湿滞、响应恢复时间以及湿敏范围等分析结果。图5为传感器非接触式手指距离感知检测与人体呼吸频率检测结果。图6为对不同表面基团的MXene对水分子吸附能力的DFT计算结果。图7为设计的集成化、小型化(约35毫米×15毫米×12毫米)、无线可穿戴的湿度跟踪设备及其测试结果。

图1 构建MXene-Lys纳米复合材料策略的示意图。Ti3C2TxMXene（b、c）和MXene-Lys（e、f、h、i）的SEM图像。Ti3C2TxMXene（d）和MXene-Lys（g、j）的TEM图像。

图2 (a) Ti3C2TxMXene的XPS光谱，高分辨率(b) C 1 s、(c) O 1s和(d) Ti 2p的元素分峰。(e) MXene-Lys 的XPS光谱，高分辨率(f) C 1 s、(g) O 1s和(h) Ti 2p 的元素分峰。

图3 (a) Ti3C2TxMXene、MXene-Lys 的FTIR光谱。(b) Ti3C2TxMxene和MXene-Lys的XRD图。(c) H2O@MXene和L-Lysine@MXene的预测层间距。(d) 原始和赖氨酸功能化MXene表面示意图。

图4 (a) Mxene-Lys湿度响应实验结果的误差线，红线表示线性拟合曲线。(b) MXene和 Mxene-Lys在20天内的稳定性分析。(c) 在一系列相对湿度条件下测得的吸附(橙色)和解吸(绿色)响应的误差线曲线(左轴)以及相应的滞后(右轴)。(d) 20个周期的响应实验结果，相对湿度从 45% 过渡到 70%。(e) 通过T90方法计算响应和恢复时间。(f) MXene和Mxene-Lys的响应值(绿色)和湿度响应范围(橙色)的比较图。

图5 (a) 使用未戴手套和戴手套的手指在距离传感器 1、3、5、7和9毫米处对手指接近传感器的响应。(b) 手指距离与电阻响应的回归拟合曲线。(c) 人体快速、中速和深呼吸时电流响应的变化。

图6 (a) MXene模型图，其中分为-F、-O和-F、-O以及-OH的MXene表面端基。(b) 改进的MXene模型图，其中-O和-OH代表端基。(c,d) 上述四种结构对应于吸附水分子的模型图。

图7 (a) 可穿戴系统示意图。(b)佩戴在手腕上的设备和智能设备接收到的传感信号。(c)坐姿、走姿和跑步状态下湿度传感系统对人体的响应电流图。

该成果在灵敏度、响应速度等关键指标上超越现有技术，为智能医疗设备发展开辟新路径。研究团队指出，该传感器可集成于智能口罩实时监测呼吸异常，或嵌入电子皮肤进行汗液分析，为哮喘、睡眠呼吸暂停等慢性病管理提供技术支持。其小型化（35mm× 15mm × 12mm）、无线化设计有效降低穿戴设备负荷，为多模态生理信号融合监测奠定硬件基础。这项工作不仅推动了湿度传感技术革新，更为智能医疗、人机交互等前沿领域提供了创新范式。

论文第一作者为研究生康佳宁，通讯作者为中国计量大学光电学院青年教师高峰，共同通讯作者为王莹和沈常宇。团队近年来在光纤生化检测及传感方面做了大量研究工作，并进一步将这些传感器应用于人机交互领域包括非接触式感知（Optics Letters, 49 (15), 4258-4261(2024) 和 Sensors Actuators: B. Chemical421 (2024) 136541）、高灵敏核酸检测（Biosensors and Bioelectronics242 (2023) 115719）、重金属检测（Sensors Actuators: B. Chemical393 (2023) 134247）等领域。这些工作得到国家自然科学基金(12274386)、浙江省自然科学基金重点项目（LZ25F050001）、浙江省自然科学基金(LQ23F050006)及中国计量大学基础研究基金（2023YW74）等资助。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159474

近日，中国计量大学光学与电子科技学院沈常宇教授团队，在《Chemical Engineering Journal》（影响因子13.4）上发表题为“High Sensitivity and Fast Response Wireless Humidity Sensor Enabled by MXene-Lys for Finger Proximity Detection and Health Monitoring Applications”的研究论文。成功开发出基于赖氨酸修饰MXene（MXene-Lys）的高性能无线可穿戴湿度传感器。这项突破性技术为解决传统传感器响应慢、灵敏度低等业界难题提供了创新方案。

随着个性化健康监测需求的日益增长，实时、精准的湿度传感技术成为了研究热点。湿度传感器在电子皮肤、柔性穿戴设备、呼吸监测系统等领域具有广泛的应用前景。然而，传统湿度传感器在响应速度、灵敏度和稳定性等方面存在局限，难以满足快速呼吸监测和近距离非接触感知检测等高要求场景的需求。针对这一挑战，研究团队以MXene为突破口，利用其高导电性和大表面积的特性，通过材料改性和器件集成双重创新，成功开发出新型湿度传感系统。这种基于MXene-Lys（赖氨酸修饰MXene）的传感器不仅显著提升了湿度传感性能，还为智能健康监测提供了全新的解决方案，为动态生理信号的精准捕捉开辟了新途径。

研究团队通过氢氟酸蚀刻Ti3AlC2前驱体制备了多层MXene基底，并采用赖氨酸分子插层结合氢氧化钠处理，成功开发出MXene-Lys复合材料。第一性原理计算显示，MXene-H2O的层间距为10.066 Å，而赖氨酸插入后层间距扩大至11.936 Å，增加了1.87 Å。XRD图谱中MXene和MXene-Lys的（002）峰分别位于8.26°和7.01°，对应的层间距分别为10.70 Å和12.60 Å，增加了1.90 Å，与理论预测基本一致。此外，赖氨酸分子结合氢氧化钠处理会引起MXene表面基团置换（氟基→羟基/氧基），材料的亲水性得到显著提升（X射线光电子能谱与傅里叶红外光谱分析）。密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示，改性后的材料对水分子的吸附能从-0.6991 eV提升至-1.0310 eV，增幅达48%，从微观层面阐明了灵敏度提升的机制。

研究人员认为，赖氨酸修饰的MXene表面形成了赖氨酸与水分子之间的氢键网络，促进了氢离子的扩散，同时增加的层间距为水分子的吸附和解吸提供了更宽的通道，显著增强了材料的湿度响应性能。基于该材料研制的传感器展现出卓越性能：其电阻响应值在20%-90%湿度范围内达30,161，响应/恢复时间分别缩短至0.22秒和0.45秒，滞后效应低至2.77% RH，连续20天运行性能波动小。实际测试中，该设备可精准探测9毫米内手指湿度变化（电流变化达百倍），区分1.2 Hz快速呼吸至0.5 Hz深慢呼吸模式差异，并通过蓝牙实现5.56小时连续运动监测（静坐、行走、跑步信号特征显著）。图1显示了构建MXene-Lys纳米复合材料的策略以及MXene和MXene-Lys的SEM和TEM图像。图2为MXene和MXene-Lys的XPS图像。图3为MXene和MXene-Lys的傅里叶红外光谱、XRD图以及根据第一性原理预测的层间距。图4为该传感器不同湿度下的响应曲线、稳定性、湿滞、响应恢复时间以及湿敏范围等分析结果。图5为传感器非接触式手指距离感知检测与人体呼吸频率检测结果。图6为对不同表面基团的MXene对水分子吸附能力的DFT计算结果。图7为设计的集成化、小型化(约35毫米×15毫米×12毫米)、无线可穿戴的湿度跟踪设备及其测试结果。

图1 构建MXene-Lys纳米复合材料策略的示意图。Ti3C2TxMXene（b、c）和MXene-Lys（e、f、h、i）的SEM图像。Ti3C2TxMXene（d）和MXene-Lys（g、j）的TEM图像。

图2 (a) Ti3C2TxMXene的XPS光谱，高分辨率(b) C 1 s、(c) O 1s和(d) Ti 2p的元素分峰。(e) MXene-Lys 的XPS光谱，高分辨率(f) C 1 s、(g) O 1s和(h) Ti 2p 的元素分峰。

图3 (a) Ti3C2TxMXene、MXene-Lys 的FTIR光谱。(b) Ti3C2TxMxene和MXene-Lys的XRD图。(c) H2O@MXene和L-Lysine@MXene的预测层间距。(d) 原始和赖氨酸功能化MXene表面示意图。

图4 (a) Mxene-Lys湿度响应实验结果的误差线，红线表示线性拟合曲线。(b) MXene和 Mxene-Lys在20天内的稳定性分析。(c) 在一系列相对湿度条件下测得的吸附(橙色)和解吸(绿色)响应的误差线曲线(左轴)以及相应的滞后(右轴)。(d) 20个周期的响应实验结果，相对湿度从 45% 过渡到 70%。(e) 通过T90方法计算响应和恢复时间。(f) MXene和Mxene-Lys的响应值(绿色)和湿度响应范围(橙色)的比较图。

图5 (a) 使用未戴手套和戴手套的手指在距离传感器 1、3、5、7和9毫米处对手指接近传感器的响应。(b) 手指距离与电阻响应的回归拟合曲线。(c) 人体快速、中速和深呼吸时电流响应的变化。

图6 (a) MXene模型图，其中分为-F、-O和-F、-O以及-OH的MXene表面端基。(b) 改进的MXene模型图，其中-O和-OH代表端基。(c,d) 上述四种结构对应于吸附水分子的模型图。

图7 (a) 可穿戴系统示意图。(b)佩戴在手腕上的设备和智能设备接收到的传感信号。(c)坐姿、走姿和跑步状态下湿度传感系统对人体的响应电流图。

该成果在灵敏度、响应速度等关键指标上超越现有技术，为智能医疗设备发展开辟新路径。研究团队指出，该传感器可集成于智能口罩实时监测呼吸异常，或嵌入电子皮肤进行汗液分析，为哮喘、睡眠呼吸暂停等慢性病管理提供技术支持。其小型化（35mm× 15mm × 12mm）、无线化设计有效降低穿戴设备负荷，为多模态生理信号融合监测奠定硬件基础。这项工作不仅推动了湿度传感技术革新，更为智能医疗、人机交互等前沿领域提供了创新范式。

论文第一作者为研究生康佳宁，通讯作者为中国计量大学光电学院青年教师高峰，共同通讯作者为王莹和沈常宇。团队近年来在光纤生化检测及传感方面做了大量研究工作，并进一步将这些传感器应用于人机交互领域包括非接触式感知（Optics Letters, 49 (15), 4258-4261(2024) 和 Sensors Actuators: B. Chemical421 (2024) 136541）、高灵敏核酸检测（Biosensors and Bioelectronics242 (2023) 115719）、重金属检测（Sensors Actuators: B. Chemical393 (2023) 134247）等领域。这些工作得到国家自然科学基金(12274386)、浙江省自然科学基金重点项目（LZ25F050001）、浙江省自然科学基金(LQ23F050006)及中国计量大学基础研究基金（2023YW74）等资助。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159474