德州奥斯汀大学鲁南姝ACS Nano: 石墨烯电子纹身研究进展

【引言】

可穿戴设备自出现以来就由于其不同于传统固定监测系统的特性在连续、动态监测方面提供了巨大的应用前景。然而，现阶段存在的可穿戴设备其在信号监测和功能化方面仍然存在一定的缺陷。实际上，大部分的商用可穿戴设备仍然采用将电子传感器件绑在需要监测的部位，尽管对于心率等活动具有一定监测效果，但是其监测质量对于应用于医疗领域还具有一定差距。

【成果简介】

在可穿戴电子中，蜿蜒状电子传感器由于其厚度和柔性的优势越来越受到人们的关注。近日，德克萨斯材料研究所的鲁南姝教授、Deji Akinwande教授等人制备了一种基于石墨烯的多功能电子纹身传感器，不同于大部分基于金属、硅或纳米粒子作为传感器材料的电子纹身，这种新型的电子纹身具有亚微米厚度并实现了功能的多样化。利用化学气相沉积方法在铜箔上生长的石墨烯利用湿法转移、干法加工的方法可以得到石墨烯电子纹身，其厚度约为463 ± 30nm，光学透明度约为85%且其形变量可超过40%。这种石墨烯电子纹身由于范德华力可以很好地贴合于人体皮肤。若作为电极，这种石墨烯电子纹身的阻抗与医用电极可比。除此之外，这种石墨烯电子纹身可以广泛应用于心电图、肌电图、脑电图、湿度、温度等各方面的检测。该成果以“Graphene Electronic Tattoo Sensors”为题于2017年7月18日发表在期刊ACS Nano上。

【图文导读】

图一：石墨烯电子纹身加工过程

(A,B) 常压化学气相沉积方法在铜箔上生长石墨烯。

(C)   厚度小于500nm的PMMA悬涂于石墨烯表面。

(D)  刻蚀铜箔。

(E)  石墨烯/PMMA膜转移到纹身纸上，有石墨烯一面向上。

(F)  机械切割石墨烯/PMMA膜。

(G)  将多余的石墨烯从纹身纸上剥离下来。

(H)  利于类似纹身转移方法将石墨烯电子纹身器件转移到人体皮肤上。

(I)   在人体皮肤上的石墨烯电子纹身。

图二：石墨烯电子纹身的机械和光学性能

(A) 不同石墨烯传感器（应力、温度、湿度传感器）的照片。

(B) PMMA的厚度约为463±30nm。

(C) PMMA及PMMA/石墨烯膜的光学透光性。

(D) 在拉伸形变下石墨烯电子纹身电阻的变化情况，线性石墨烯电子纹身可经受20%应变而弯曲的石墨烯电子纹身可承受50%的应变。

(E) 经过1500次15%应变作用后，石墨烯电阻温度探测器的电阻只有少于6%的变化。

(F, G, H) 石墨烯电子纹身在皮肤上分别处于无形变、拉应变、压应变时的变化。

(I) 石墨烯传感器的电阻经过皮肤可承受形变后与之前基本无变化。

(J, K, L) 石墨烯电子纹身在放松、压缩、拉伸皮肤上的放大的光学显微镜照片。

图三：皮肤上石墨烯电子纹身的电学性能

(A) 石墨烯电子纹身的阻抗与商用传感器可比。

(B) 放置在额头上的石墨烯电子纹身和凝胶电极分别对脑电图的响应。

(C) 石墨烯电子纹身和商用传感器分别对心电图的监测。

(D) 置于前臂的石墨烯电子纹身和商用传感器分别在手部运动三次时对肌电图的监测。

图四：比较石墨烯电子纹身和商业器件的运动伪影

(A, B) 利用玻璃棒按压胸部产生运动。

(C) 石墨烯电子纹身和商用传感器对运动过程中心电图的监测。

图五：石墨烯电子纹身作为湿度、温度传感器的展示

(A)石墨烯电子纹身和商用传感器对皮肤湿度的感应。

(B)石墨烯电子纹身对温度变化的感应。

【小结】

这种亚微米厚度的透明石墨烯电子纹身作为可拉伸的电子纹身实现了多种生物信号的监测。利用低成本的湿法转移技术加工的到的石墨烯电子纹身可以直接贴合到人体皮肤上用来检测脑电图、心电图、肌电图、皮肤湿度、温度等各项指标，为二维材料在将来生物电子纹身等方面的应用提供了可能。

文献链接：Graphene Electronic Tattoo Sensors (ACS Nano，2017，DOI: 10.1021/acsnano.7b02182)

本文由材料人编辑部新人组 赵静 编译，黄超 审核，点我加入材料人编辑部。

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