客户成果丨华中科技大学《Chemical Engineering Journal》：将高活性铜位点移植至稳定金属有机框架，制备具仿生防污微孔阵列的声表面波湿度传感器

华中科技大学机械科学与工程学院微纳制造与医工交叉团队在声表面波（SAW）健康监测领域取得最新进展，该研究成果以“Transplanting highly active copper sites into stable MOFs for SAW humidity sensor with bio-inspired anti-pollution microhole array”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。

呼气与皮肤湿度信号是反映呼吸道健康与生理代谢的重要依据，基于湿度传感的无创居家健康监测技术具备重要应用价值。然而在实际应用中，高敏感传感表面通常暴露在高湿度、多污染的环境中，这对传感材料的灵敏度和稳定性提出了高要求。近年来，金属有机框架（MOF）材料因比表面积大、活性位点丰富和结构可编辑的特点，被认为是有前景的传感材料。然而，基于MOF材料的湿度传感器件仍面临多重挑战：（1）化学活性 MOF 材料在高湿度环境下易发生配位键断裂、结构坍塌，存在湿度敏感性与结构稳定性权衡问题；（2）体表湿热环境易导致器件表面水汽凝结、污染物附着，造成传感信号异常衰减，常规器件结构无法满足可穿戴场景的需求。

针对上述挑战，研究团队提出了一种新型的三明治结构湿度传感器，包括仿生PDMS保护膜、铜改性MOF湿敏膜和SAW器件。开发了疏水性增强的仿生PDMS薄膜制备工艺，减轻了冷凝物形成和污染物吸附引起的器件性能下降。在稳定的UiO-66-NH2框架中移植了高活性铜位点，摆脱了灵敏度和稳定性的权衡困境。计算了水分子与改性MOF的作用机理，证实了优化的铜配位环境通过更强的电荷转移、更短的吸附距离和更明显的轨道杂化来协调活性和稳定性。优化了SAW器件表面的材料沉积工艺，获得了兼具高灵敏度和长时间稳定性的湿度传感器件。

图1 具有仿生防污阵列的MOF基SAW湿度传感器件构建。（A-C）通过XRD、SEM等材料表征手段，证明了铜元素成功配位到MOF框架中。（D）理论计算表明改性后的MOF对水分子具有更强的活性。（E）SAW器件的叉指换能器是使用TuoTuo Technology 的UV Litho-ACA无掩模光刻机进行曝光的，曝光速度快，电极边缘清晰无毛刺，结构均匀一致性好。（F-G）所制备的器件表现出典型的SAW波形特征，并在MOF基SAW湿度传感相关工作中获得了令人满意的高灵敏度。（H-K）自然界生物启发的疏水通孔阵列赋予了器件表面防污和自清洁的能力，使得器件在高湿度、多污染的环境中仍能正常工作。

进一步，搭建了头戴式呼吸健康监测微系统，捕捉了不同行为活动下人体呼吸湿度动态变化，识别了模拟的呼吸暂停异常状态并发出了预警。开发了腕戴式皮肤湿度监测系统，获得了多场景下皮肤湿度差异，实现了皮肤湿度健康水平的无创评估。这项工作展现了高性能SAW湿度传感器在呼吸系统疾病辅助筛查与人体皮肤状态监测等领域的广阔应用前景。

图2 可穿戴系统用于呼气和皮肤湿度监测。（A-E）搭建了包含手机App、信号采集下位机、呼气面罩、传感器件等在内的头戴式呼吸健康监测微系统，捕捉了运动、休息、工作等状态下人体呼吸湿度动态变化，在模拟的呼吸暂停监测测试中准确地识别了异常状态。（F-G）进一步开发了腕戴式皮肤湿度监测系统，测试了寒冷和温暖环境下皮肤湿度水平差异，也测得了运动状态下大量出汗导致的皮肤湿度的显著上升。

该工作中通过使用TuoTuo Technology 的紫外无掩模光刻机（TuoTuo Technology, UV Litho-ACA）在铌酸锂晶圆表面光刻IDT图案用于制备SAW器件。

作者信息介绍：华中科技大学机械科学与工程学院博士生林成旭为文章的第一作者，廖广兰教授、刘智勇副教授、龙胡研究员等为共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.178418