Matter：原子硫键合碳化钛纳米片用于柔性压阻传感器监测睡眠呼吸暂停综合征

      睡眠呼吸暂停综合征（Sleep apnea syndrome，SAS）是一种常见的呼吸系统疾病，其特征是在睡眠过程中呼吸反复出现短暂停止（通常每次持续10秒以上），导致身体缺氧并干扰正常睡眠。该疾病可能损害心脏和大脑的功能，严重者甚至会危及生命安全。柔性压阻传感器能够通过监测呼吸气流产生的轻微压力来追踪呼吸状态。然而，这需要传感器有着高灵敏度和稳定性以确保准确可靠的信号。Ti₃C₂MXene因其较大的比表面积、高电导率以及可调表面基团而备受关注，被认为是柔性压阻传感器领域中一种有前景的材料。然而，由于Ti₃C₂在水中或自然条件下存在热力学亚稳表面，在短时间内会被迅速氧化和降解，从而导致结构受损和传感性能的降低。因此，如何发挥Ti₃C₂优异性能的同时提升传感器的灵敏度和稳定性，是当前的研究重点。

    本研究提出了一种利用Na₂S和超薄Ti₃C₂纳米片作为诱导剂和前驱体进行水热反应，通过S²⁻吸附边缘，纳米片横向组装，晶格畸变褶皱化策略，开发了一种大尺寸(~7μm）、褶皱形貌（80.9 m² g^-1）和抗氧化（105天）的TS纳米薄片。基于TS薄片的压阻式传感器表现出高灵敏度（7.8 kPa^-1）、快速响应（~50ms）、强稳定性（10000次循环）和低检测阈值（~0.2 Pa）的超强综合特性。其优异的灵敏度得益于其褶皱微观结构，其褶皱微观结构能够增加压缩接触点位置，进而构建更多的导电通路，从而放大电阻变化。同时，S²⁻钝化边缘位点，降低氧吸附能，能有效地防止TS的边缘氧化，从而提高传感器的长期稳定性。此外，基于TS柔性压阻式传感器的无线呼吸监测系统，能够准确识别不同的呼吸状态，包括正常呼吸、呼吸暂停、快速呼吸和深呼吸，为异常睡眠呼吸提供实时反馈。为制造高灵敏度和长期稳定的SAS监测传感器铺平了道路。

• 超灵敏传感设计：其创新的褶皱微观结构为其增加压缩接触点位，放大电阻变化，为传感器提供超高灵敏度（7.8 kPa^-1）和超快响应（50ms）。

• 边缘钝化抗氧化：S^2-钝化边缘Ti活性位点，抑制TS氧化，极大增强TS传感器稳定性。

  
  

图1.  （A）TS样品的合成示意图。（B和C）Ti₃C₂和TS的TEM图。（D） TS的HRTEM图。（E）TS中褶皱区域的局部晶格畸变。（F）TS的元素分布图。（G）TS和Ti₃C₂的XRD图谱。（H）TS和Ti₃C₂的N₂吸附和脱附等温线。（I）TS和Ti₃C₂的FT-IR图。（J）TS和Ti₃C₂的XPS。（K和L） TS和Ti₃C₂的C1s和Ti2p的XPS。

图2. （A）TS样品形成过程的示意图。（B-D）TS形成过程的TEM图。（E）TS的TEM局部放大图。（F）S^2-吸附在Ti₃C₂表面和Ti₃C₂的边缘上的吸附能。（G） TS优化几何结构的侧视图和俯视图。（H–K）在不同溶液中发生水热反应其中Ti₃C₂纳米片的TEM图。 （L）各种反应条件下的Ti₃C₂纳米片的XRD。

图3.（A,B）TS和Ti₃C₂在空气中储存21天后的TEM图。（C-E）TS和Ti₃C₂储存21天后的XRD、Ti2p的XPS和XPS峰拟合结果图。（F,G）TS和Ti₃C₂在空气中储存35天后的图片。（H,I）TS和Ti₃C₂在不同时间下的拉伸性能保留率和电导率。（J）TS和Ti₃C₂的性能雷达图。（K）TS和Ti₃C₂氧吸附的示意图。

图4.（A）TS柔性压阻传感器的示意图。（B-D）Ag电极、TS/Ag层和TS柔性压阻传感器的柔韧性对比图。（E）TS和Ti₃C₂不同传感层的压阻传感器的灵敏度。（F）不同压阻传感器的灵敏度对比。（G）TS压阻传感器的机制模型。（H）有限元分析模拟TS和Ti₃C₂的压缩形变。（I） 在不同压力下的相对电阻变化。（J）在0.3 kPa压力下TS压阻传感器的响应时间和恢复时间。（K）TS压阻传感器在0.5 kPa下10000次压缩‑释放循环后依旧稳定。（L）单颗芝麻的压力响应曲线。

图5.（A）TS柔性压阻传感器对羽毛、花朵和瓢虫接触力的响应。（B-D）TS柔性压阻传感器对颈动脉、桡动脉和不同呼吸状态的响应。（E）TS柔性压阻传感器用于监测各种生理信号的传感器示意图。（F）无线呼吸监测系统模块。（G）无线呼吸监测系统框架图。（H）无线呼吸监测系统对不同呼吸状态的响应。

该研究提出了一种原子硫键合策略，用于制备大尺寸、褶皱和抗氧化的Ti₃C₂/Na₂S (TS)材料。其基本机制源于Ti₃C₂纳米片边界组装成大尺寸薄膜、晶格畸变诱导形成褶皱微观结构，褶皱微观结构提供了丰富的空隙，增强了材料的压缩性和接触点位，从而使灵敏度比Ti₃C₂传感器提高5倍，并具有0.2Pa的超低检测限。S^2- 钝化边缘活性以减轻材料氧化，大大增加了传感器的使用时间以及稳定性。此外，基于TS传感器的呼吸监测系统可以准确检测四种呼吸状态，在不同的呼吸模式下表现出高度的响应性和可辨识性，这表明其在诊断SAS方面具有巨大的潜力。该研究为开发高灵敏度和稳定的柔性压阻传感器铺平了道路，并展示了其在监测呼吸健康方面的巨大潜力。

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