基于海藻酸钠/氧化石墨烯复合材料的绿色柔性湿度传感器制备及其在智慧农业中的应用潜力

为解决传统柔性湿度传感器(FHS)环境危害大、成本高的问题，研究人员开发了以海藻酸钠(SA)/氧化石墨烯(GO)复合材料为核心的环境友好型传感器。该传感器通过低温蒸发和激光直写(LDW)技术制备，具有高灵敏度(20-90%RH范围内阻抗变化达3个数量级)、优异水稳定性(浸水20分钟性能稳定)和完全可降解特性(10分钟超声降解)。研究成果为智慧农业中的叶片湿度和土壤水分监测提供了绿色解决方案。

　　

在物联网(IoT)技术快速发展的今天，数以亿计的传感器设备正被部署在各个领域。然而这些以金属、合成聚合物为主的电子器件，在废弃后往往难以降解，形成了日益严重的电子垃圾问题。特别是在农业监测领域，传统柔性湿度传感器(FHS)普遍采用聚酰亚胺(PI)等不可降解基材和贵金属电极，不仅成本高昂，更会对土壤生态系统造成长期危害。

针对这一挑战，国内研究人员开发了一种全绿色的柔性湿度传感器。该研究创新性地采用天然高分子海藻酸钠(SA)与环保材料氧化石墨烯(GO)复合，通过CaCl₂交联形成稳定结构。传感器电极采用碳化SA和激光还原GO制备，整个制造过程仅需35℃低温蒸发和0.6W低功率激光直写(LDW)，实现了能源消耗的最小化。

研究团队运用阻抗测试、弯曲稳定性实验和降解实验等关键技术方法，系统评估了传感器性能。结果显示，这种c-SA/GO复合传感器在20-90%相对湿度(RH)范围内展现出3个数量级的阻抗变化，远超多数报道的绿色传感器。独特的交联结构使其在1000次弯曲后仍保持稳定响应，浸水20分钟后性能衰减不足5%。更引人注目的是，传感器可在200W超声辅助下，10分钟内被柠檬酸钾溶液完全降解。

在应用验证方面，研究团队将传感器贴附于植物叶片和埋入土壤，成功实现了昼夜湿度变化和土壤含水量的实时监测。生物学评估显示，番茄种子在传感器基质上的发芽率达91.4%，根重达3.1mg，与滤纸培养结果相当，证实了材料的生物相容性。

这项发表于《Surfaces and Interfaces》的研究具有多重重要意义：首先，它建立了从材料选择到制备工艺的完整绿色传感器技术路线；其次，提出的"基材-传感一体化"设计解决了柔性器件层间兼容性问题；最重要的是，为智慧农业提供了真正环境友好的监测方案。研究不仅推动了绿色电子学发展，更对实现可持续农业具有示范价值。

从技术细节看，该传感器的优异性能源于三个关键设计：SA与GO的分子级复合形成了连续导电网络；Ca²⁺交联构建的立体结构增强了水稳定性；激光精确调控的碳化区域实现了电极图案化。研究人员Yang Li指出，这种全溶液加工策略可扩展到其他生物基材料的器件制备。

在讨论部分，作者将本工作与现有绿色传感器进行了系统对比：相比基于黑水虻黑色素的传感器，本方案避免了银电极的使用；相较于蛋清蛋白传感器，检测范围从35-70%RH扩展到20-90%RH；与NaCl基传感器相比，水稳定性得到显著提升。这些突破使得该传感器在农业物联网领域具有实际应用前景。

该研究的创新性不仅体现在材料选择上，更开创性地将LDW技术应用于全生物基传感器的制备。正如Huizhen Chen在文中强调的，这种方法兼具高精度(50μm线宽)和低能耗(0.6W)双重优势，为绿色电子制造提供了新思路。未来，研究团队计划进一步优化GO的还原程度，以平衡传感器的灵敏度和长期稳定性。