综述：基于纳米结构纤维素纤维气凝胶在新型传感器中的应用进展：综述

《International Journal of Biological Macromolecules》：Recent advances in the applications of nanoarchitectured cellulose-based fibrous aerogels for emerging sensors: A review

　　

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  基于纤维素的气凝胶在下一代高性能传感器领域展现出巨大潜力。
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  文中重点介绍了用于压力、温度、摩擦电、柔性、压电以及双模式传感器领域的基于纤维素气凝胶的最新进展。
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  对用于制备这类气凝胶的常压干燥、超临界干燥以及冷冻干燥等不同技术进行了深入分析。
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  详细探讨了这类传感器在灵敏度、响应速度以及稳定性等方面的关键性能因素。
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  分析了这类材料在绿色制造以及多模式传感应用中所面临的挑战，并提出了未来的发展前景。

引言

随着智能技术与信息技术的快速发展，传感器已成为感知外部环境变化并将其转化为电信号的核心器件。此外，传感器还被广泛应用于环境监测、医疗健康、可穿戴电子设备、食品安全、工业自动化等诸多领域[1]。它们在实现人机交互、智能反馈以及闭环系统控制方面发挥着重要作用[2]。然而，目前主流传感器所使用的材料仍存在诸多缺陷，比如刚性过高、延展性差、生物相容性不足、降解能力有限，同时还存在环境负担问题[3]。这些局限性严重制约了传感器在柔性、绿色及可持续应用场景中的进一步应用[4]。因此，研发兼具机械柔顺性、高灵敏度以及环境友好性的传感器材料，已成为当前研究的热点方向（图1a）。近年来，源自天然生物质、具备可再生性、低密度、高孔隙率以及结构可调控的三维网络特性的基于纤维素的气凝胶，逐渐被视为构建下一代绿色传感器的理想材料而受到广泛关注[5]。所谓纳米结构化的纤维素基纤维气凝胶，是指由相互连接的纤维素纳米纤维构成的纳米级骨架材料。“纤维”这一表述意味着其固体骨架是由长径比较高的纤维素纳米纤维交织而成的连续三维网络，这种结构与颗粒状或随机聚集的纤维素结构有着本质区别。与可能由无结构或颗粒状纤维素构成的普通气凝胶不同，纳米结构化纤维素基纤维气凝胶拥有连续的纤维网络，该网络不仅提供了内置的导电路径，还具备了较大的比表面积以及机械柔韧性，这些特性对于传感应用而言极具优势。

纤维素是自然界中最为丰富的可再生聚合物，主要来源于植物、细菌、藻类和动物。早期的研究就已经认识到纤维状纤维素是一种具有可持续利用价值的材料，为开发基于纤维素的功能性平台奠定了重要基础[6]。在这些来源中，植物纤维素不仅供应充足，提取成本也较低。细菌纤维素则以其极高的纯度和成膜能力而著称，而藻类纤维素和动物源纤维素则因具有良好的生物相容性而受到重视。通过纤维素溶解、凝胶化以及后续干燥等工艺，就可以制备出低密度、高孔隙率且具有相互连接三维网络的纤维素气凝胶[7]。近年来，关于这类气凝胶的相关研究论文数量持续增长（图1b）。它们已被广泛应用于压阻式、温度传感器以及柔性传感器等多种传感领域（图1c）。为传感应用而定制的纤维素气凝胶的制备工艺会对其性能产生重要影响，其中干燥方法作为核心制备技术更是起着至关重要的作用。目前，制备这类气凝胶主要采用三种干燥方法：常压干燥、超临界干燥以及冷冻干燥。常压干燥是最简单且成本最低的方法，通常通过自然蒸发或加热使溶剂挥发来实现[8]。超临界干燥则是一种非常有效的工艺，它能够保留纤维素气凝胶的三维网络结构，从而使得所得气凝胶具备良好的微观结构，非常适合用于传感应用。由于处理条件温和，且在去除溶剂的过程中能够有效避免毛细应力，冷冻干燥是目前用于制备这类气凝胶最常用的方法之一[9]。总体而言，这些加工技术为构建结构稳定、性能可控的纤维素气凝胶传感器奠定了坚实基础。

随着在传感器领域对纤维素气凝胶研究的不断深入，对其结构调控、功能集成以及在不同类型传感器中的应用也愈发受到重视[10]。对各类纤维素气凝胶的来源、制备策略以及在不同应用场景下的传感性能进行系统性的总结与综述具有非常重要的价值。刘等人对用于可穿戴柔性电子传感器的纤维素气凝胶进行了研究，重点分析了纤维素溶解体系以及再生纤维素在压力、应变、湿度以及气体传感器中的应用性能[11]。该综述还详细阐述了这类材料在压力、应变、湿度及气体传感器中的多种功能性应用，为基于纤维素气凝胶的柔性电子传感器的发展奠定了基础，同时也指出了当前存在的挑战以及未来的研究方向。在另一篇综述中，Shiva等人全面介绍了基于纤维素纳米晶的气凝胶在金属、气体、化学、物理以及生物传感领域的应用情况[12]。Sicily等人则深入探讨了纤维素气凝胶在荧光传感器中的各种传感机制，包括荧光淬灭、荧光增强以及比率型传感等[13]。此外，该综述还涵盖了这类材料在检测金属离子、小分子以及生物分子方面的应用。值得注意的是，这类传感器在环境监测以及生物医学等领域已经展现出了出色的灵敏度以及多功能潜力[14]。不过，目前大多数研究都集中在材料的结构特征或者特定的纤维素形式，如纤维素纳米晶和细菌纤维素上[15]。针对不同来源的纤维素及其对应的制备策略的系统性总结仍然相对较少。而且，这类材料在各类传感器中的具体应用也尚未得到全面的研究[16]。同时，一些开创性研究表明，纤维素的结构特征可以转化为选择性的传感功能，例如就有研究人员开发出了一种经N、S功能化处理的基于纤维素的颜色传感器，可用于检测银离子[17]。

目前现有的研究缺乏将不同来源的纤维素与相应的制备策略以及传感器应用联系起来的系统性概述，而本综述正是为了填补这一空白。它对纤维素气凝胶在传感器领域的应用进行了深入探讨，系统地研究了从原材料到最终产品结构的整个制备过程，特别强调了干燥方法对这类气凝胶的结构以及功能特性所产生的影响。随后，本文系统总结了这类材料在压力、温度、摩擦电、柔性、压电、双模式以及其它类型传感器中的应用进展（图2）。此外，还对这类传感器的工作性能特点及其背后的作用机制进行了分析。最后，本文指出了该研究领域内的热点问题、面临的关键挑战以及未来的研究方向。总体而言，本综述总结了纤维素气凝胶传感器领域的最新研究成果，架起了基础研究与实际应用之间的桥梁，为多个领域的未来发展提供了指引。

章节要点

纤维素的分类

纤维素是一种线性天然聚合物，由通过β-1,4-糖苷键连接在一起的葡萄糖单元构成，是自然界中最为丰富的可再生有机物质[20]。纤维素中的每个葡萄糖单元都含有三个羟基，这使得它们能够形成大量的分子间以及分子内的氢键网络。这些氢键相互作用不仅决定了纤维素的结晶度和热稳定性，还对它形成稳定凝胶网络的能力具有重要影响[21]

纤维素气凝胶在传感器中的应用

纤维素气凝胶具有低密度、高孔隙率、良好的压缩性、较强的机械稳定性，同时还具备良好的功能化潜力，这些特性使其适用于多种类型的传感器。近年来，这类材料已被应用于压力传感器、温度传感器、摩擦电传感器、柔性传感器、压电传感器、双模式传感器以及其他类型的传感器中（图10）。本章将系统梳理这类材料在结构设计以及复合材料方面的最新进展

结论

在本综述中，我们详细介绍了纤维素气凝胶在传感器领域应用方面的最新进展。首先，我们对纤维素的来源及其分类进行了总结，涵盖了植物、藻类、细菌以及被囊动物等多种天然资源。此外，我们还全面介绍了这类气凝胶的制备策略，并对主要的干燥技术进行了对比分析，同时探讨了不同材料在孔结构控制、产品稳定性以及成本效益等方面的差异与适用性

作者贡献说明

袁欣：撰写原始稿件、方法部分、实验研究、正式分析、数据整理。涂永宁：撰写原始稿件、软件相关内容、数据整理。唐振宇：负责软件使用、资源获取以及方法研究。岑浩阳：参与方法研究、正式分析以及数据整理工作。王谦：负责结果验证、方法研究以及正式分析。 Gang Yanjiao：参与资源获取、方法研究以及正式分析。余晓红：负责综述与编辑工作、项目监督以及实验研究。Kim Jeonghun：负责软件使用、资源获取以及方法研究。Zhu Wenkai

未引用参考文献

[19]

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能会影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了浙江省自然科学基金（编号：Q24C160007）、浙江省大学生科技创新行动计划（新种子人才计划资助项目，编号：2025R412A040、2024R412A013）、浙江农林大学大学生科学研究训练计划（编号：2024kx0204、2024kx0042）以及国家自然科学基金（编号：32401675）的支持。

Xin Yuan|Yongning Tu|Zhenyu Tang|Haoyang Cen|Qian Wang|Yanjiao Gang|Xiaohong Yu|Jeonghun Kim|Wenkai Zhu