德州奧斯汀大學魯南姝ACS Nano: 石墨烯電子紋身研究進展

【引言】

可穿戴設備自出現以來就由于其不同于傳統固定監測系統的特性在連續、動態監測方面提供了巨大的應用前景。然而，現階段存在的可穿戴設備其在信號監測和功能化方面仍然存在一定的缺陷。實際上，大部分的商用可穿戴設備仍然采用將電子傳感器件綁在需要監測的部位，盡管對于心率等活動具有一定監測效果，但是其監測質量對于應用于醫療領域還具有一定差距。

【成果簡介】

在可穿戴電子中，蜿蜒狀電子傳感器由于其厚度和柔性的優勢越來越受到人們的關注。近日，德克薩斯材料研究所的魯南姝教授、Deji Akinwande教授等人制備了一種基于石墨烯的多功能電子紋身傳感器，不同于大部分基于金屬、硅或納米粒子作為傳感器材料的電子紋身，這種新型的電子紋身具有亞微米厚度并實現了功能的多樣化。利用化學氣相沉積方法在銅箔上生長的石墨烯利用濕法轉移、干法加工的方法可以得到石墨烯電子紋身，其厚度約為463 ± 30nm，光學透明度約為85%且其形變量可超過40%。這種石墨烯電子紋身由于范德華力可以很好地貼合于人體皮膚。若作為電極，這種石墨烯電子紋身的阻抗與醫用電極可比。除此之外，這種石墨烯電子紋身可以廣泛應用于心電圖、肌電圖、腦電圖、濕度、溫度等各方面的檢測。該成果以“Graphene Electronic Tattoo Sensors”為題于2017年7月18日發表在期刊ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖一：石墨烯電子紋身加工過程

(A,B) 常壓化學氣相沉積方法在銅箔上生長石墨烯。

(C)?? 厚度小于500nm的PMMA懸涂于石墨烯表面。

(D)? 刻蝕銅箔。

(E)? 石墨烯/PMMA膜轉移到紋身紙上，有石墨烯一面向上。

(F)? 機械切割石墨烯/PMMA膜。

(G)? 將多余的石墨烯從紋身紙上剝離下來。

(H)? 利于類似紋身轉移方法將石墨烯電子紋身器件轉移到人體皮膚上。

(I)?? 在人體皮膚上的石墨烯電子紋身。

圖二：石墨烯電子紋身的機械和光學性能

(A) 不同石墨烯傳感器（應力、溫度、濕度傳感器）的照片。

(B) PMMA的厚度約為463±30nm。

(C) PMMA及PMMA/石墨烯膜的光學透光性。

(D) 在拉伸形變下石墨烯電子紋身電阻的變化情況，線性石墨烯電子紋身可經受20%應變而彎曲的石墨烯電子紋身可承受50%的應變。

(E) 經過1500次15%應變作用后，石墨烯電阻溫度探測器的電阻只有少于6%的變化。

(F, G, H) 石墨烯電子紋身在皮膚上分別處于無形變、拉應變、壓應變時的變化。

(I) 石墨烯傳感器的電阻經過皮膚可承受形變后與之前基本無變化。

(J, K, L) 石墨烯電子紋身在放松、壓縮、拉伸皮膚上的放大的光學顯微鏡照片。

圖三：皮膚上石墨烯電子紋身的電學性能

(A) 石墨烯電子紋身的阻抗與商用傳感器可比。

(B) 放置在額頭上的石墨烯電子紋身和凝膠電極分別對腦電圖的響應。

(C) 石墨烯電子紋身和商用傳感器分別對心電圖的監測。

(D) 置于前臂的石墨烯電子紋身和商用傳感器分別在手部運動三次時對肌電圖的監測。

圖四：比較石墨烯電子紋身和商業器件的運動偽影

(A, B) 利用玻璃棒按壓胸部產生運動。

(C) 石墨烯電子紋身和商用傳感器對運動過程中心電圖的監測。

圖五：石墨烯電子紋身作為濕度、溫度傳感器的展示

(A)石墨烯電子紋身和商用傳感器對皮膚濕度的感應。

(B)石墨烯電子紋身對溫度變化的感應。

【小結】

這種亞微米厚度的透明石墨烯電子紋身作為可拉伸的電子紋身實現了多種生物信號的監測。利用低成本的濕法轉移技術加工的到的石墨烯電子紋身可以直接貼合到人體皮膚上用來檢測腦電圖、心電圖、肌電圖、皮膚濕度、溫度等各項指標，為二維材料在將來生物電子紋身等方面的應用提供了可能。

文獻鏈接：Graphene Electronic Tattoo Sensors (ACS Nano，2017，DOI: 10.1021/acsnano.7b02182)

本文由材料人編輯部新人組 趙靜 編譯，黃超 審核，點我加入材料人編輯部。

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