实时、精准地监测人体生理信号是未来物联网医疗与可穿戴健康设备的核心需求。其中，呼吸监测作为评估呼吸系统功能、辅助疾病早期诊断及运动健康管理的关键指标，对传感材料的灵敏度、响应速度及稳定性提出了极高要求。共价有机框架材料（COFs）凭借其高比表面积、可调的孔道结构及卓越的分子可设计性，成为构筑高性能湿度传感平台的理想候选。然而，如何从分子层面精准调控其电子结构、亲水性与纳米孔道，并建立其与宏观传感性能之间的内在关联，一直是该领域迈向实际应用的关键瓶颈。

图1 二维COF膜结构设计、湿度传感器件性能及呼吸监测应用展示

针对这一挑战，草榴社区 田文晶教授团队联合法国斯特拉斯堡大学Paolo Samorì教授团队，通过精准分子工程策略结合界面聚合技术，成功实现了晶圆级超薄二维COF薄膜的可控制备，并系统揭示了其微观结构与湿度传感性能之间的构效关系，研发出兼具高灵敏度、快响应、低迟滞的高性能湿度传感器，并成功应用于可穿戴实时呼吸监测，精准捕捉健康与病理呼吸信号。

以分子设计为核心，选用三苯基三嗪（TPT）、三苯基苯（TPB）单元与羟基密度不同的醛基分子（THTA和DHTA）作为构筑单元，通过界面聚合在水-空气界面实现原子级平整、2-3nm超薄厚度的连续COF薄膜制备，突破了传统粉末COF成膜差、接触电阻高、难以器件化的技术壁垒。四种具有不同电子能带结构、纳米孔道和亲水性的二维COF薄膜的湿度传感性能呈现出鲜明的对比规律：在中心单元的对比中，引入三嗪基团的TPT-COF薄膜表现出更窄的带隙和更强的骨架极性，其高灵敏度响应区域（33-98% RH）相较于TPB-COF薄膜（43-98% RH）显著拓宽，证实了三嗪单元在增强电荷输运和灵敏度方面的关键作用。在连接单元的对比中，基于THTA构建的COF薄膜表面羟基密度是DHTA基COF薄膜的两倍，这使得THTA基COF薄膜展现出更强的亲水性和更高的湿度响应。通过系统对比四种材料，发现同时引入三嗪基团和多羟基结构的2D COFTPT-THTA薄膜在湿度传感中展现出最优的综合性能。三嗪基团与高密度羟基协同作用，结合规整的纳米孔道，使得基于该薄膜的电阻型传感器在宽湿度范围（2-98 %RH）内实现了高达66124 % per %RH的超高灵敏度，以及极快的响应/恢复速度（0.12 s/0.40 s）和极低的湿度滞后（ΔRH≈1.0%）。理论计算与阻抗谱分析进一步揭示了其卓越性能的根源：水分子的吸附不仅通过氢键作用与COF骨架结合，还能诱导其能带结构发生显著变化，减小带隙，从而增强电导。在高湿环境下，连续水膜的形成激活了Grotthuss质子跳跃传导机制，实现了电子-质子的协同输运，从而赋予了材料无与伦比的灵敏度与速度。将这一高性能传感器集成于商用口罩，构建了非侵入式实时呼吸监测系统。该系统不仅能精准区分口、鼻呼吸，捕捉静息与运动状态下的呼吸频率变化，更成功模拟并识别了病理性的呼吸模式，如哮喘发作时的急促呼吸和睡眠呼吸暂停等异常事件，为呼吸系统疾病的早期预警和居家健康管理提供了关键技术支持。此外，该传感器对非接触式湿度梯度也表现出灵敏响应，预示着其在人机交互与生物识别领域的广阔应用前景。

该研究成果以“Wafer-Scale Synthesis of Molecularly Engineered 2D Covalent Organic Framework Films for Highly-Sensitive and Rapid-Response Humidity Sensing”为题发表在Advanced Materials上。草榴社区 博士研究生董良玉和博士后王灿为共同第一作者，草榴社区 田文晶教授、刘朝阳教授和法国斯特拉斯堡大学Paolo Samorì教授为共同通讯作者。

文章链接：//doi.org/10.1002/adma.202517182