北师大刘楠Nature子刊：PEDOT：PSS解锁新功能
通讯作者：刘楠
表皮电子设备上能够精确获取身体信息或为身体提供治疗，它为可穿戴医疗保健、运动训练、药物输送系统、人机交互等开辟新途径。导电聚合物PEDOT：PSS（改性）作为电生理记录的干电极在皮肤上具有粘性并且具有高导电性。但是纯PEDOT：PSS太脆而无法保持足够的导电性，尤其是在测量大面积变形皮肤上的电生理信号时。
基于此，北京师范大学刘楠教授团队报告了一种透明、高导电和超薄干电极，能够贴合皮肤并准确测量电生理信号。研究人员主要通过PEDOT：PSS薄膜和CVD生长石墨烯结合制备电极。相关工作以“Ultra-conformal skin electrodes with synergistically enhanced conductivity for long-time and low-motion artifact epidermal electrophysiology”为题发表在Nature Communications上。
图1. 作为皮肤电极PTG的制作：（a）PTG作为电生理学皮肤电极的示意图；（b）PEDOT：PSS、石墨烯、SDS和BSL的化学结构；（c）PEDOT：PSS/石墨烯双层堆叠结构的制备过程示意图。插图是固定在塑料基板上的透明PTG。
在该研究中，PEDOT：PSS作为聚合物载体层来处理和增强石墨烯的电性能，表现出低薄层电阻（~24 Ω/sq，4142 S/cm）、高透明度和机电稳定性。
通过入射广角X射线散射（GIWAXS）、拉曼、电子自旋共振（ESR）光谱等表征发现增强的光电性能不仅是两个导电单元并联的结果，而且来自于石墨烯和聚PEDOT：PSS上的电荷转移的协同作用。
PTG在电生理信号记录方面表现出卓越的能力，例如面部皮肤和大脑运动活动，实现人机交互和长时间的心理/身体健康监测。这种超保形、透明和干燥导电电极的协同策略将为表皮电子学铺平道路。
图2. PTG的光电性能：在形成PEDOT：PSS载体层时，不同SDS（a）和BSL（b，1.0 wt% SDS）浓度下PTG薄膜的薄层电阻和透射率（λ=550nm）；（c）弯曲半径为12至2 mm时，PET上PTG的归一化电阻变化，插图显示了PET上不同弯曲程度的PTG；（d）不同应变下PTG对弹性SEBS的归一化电阻变化。PTG由PEDOT：PSS转移的单层、双层和三层石墨烯制成；（e）纯PEDOT：PSS和PTG（单层和双层石墨烯）在SEBS上在20%应变下通过AFM的：形态比较。应变方向垂直于裂纹，平行于泊松效应产生的皱纹；（f）石墨烯和PEDOT：PSS之间的π-π相互作用和电荷离域协同增强导电性的示意图。
图3. PTG干电极的电生理信号检测：（a）在人的无名指上贴合的PTG照片；（b）猪皮肤（底部）上PTG（顶部）横截面的SEM图像；（c）PTG的AFM杨氏模量图；（d）PTG（红色）、纯PEDOT：PSS（蓝色）和Ag/AgCl（黑色）电极的阻抗分析；（e）通过PTG（红色）、纯PEDOT：PSS（蓝色）和Ag/AgCl（黑色）电极测量的EOG，显示对应于眼睑运动的峰和谷；（f）三种电极在静态和动态状态下的sEMG基线噪声比较；（g）ECG由PTG（红色）、纯PEDOT:PSS（蓝色）和Ag/AgCl（黑色）电极测量，无振动和有振动。特征P、Q、R、S和T波被清楚地识别；（h）sEMG由PTG（红色）、纯PEDOT:PSS（蓝色）和Ag/AgCl（黑色）电极测量，无振动和有振动，显示PTG检测到的较低运动伪影。插图是用于EOG、ECG、sEMG测量的PTG电极的照片；（i）sEMG在不同的握力下由PTG测量，表明在更大的握力下sEMG强度变得更高；（j）通过PTG从手指（拇指、食指、中指、无名指和小指）运动中获取的sEMG；（k）基于PTG电极提取的多通道sEMG信号，驱动机械手显示各种手势（胜利、阿拉伯数字6和3、拿着离心管）。
参考文献：
Yan Zhao, Song Zhang, Tianhao Yu, Yan Zhang, Guo Ye,Han Cui, Chengzhi He, Wenchao Jiang, Yu Zhai, Chunming Lu, Xiaodan Gu, Nan Liu, Ultra-conformal skin electrodes with synergistically enhanced conductivity forlong-time and low-motion artifact epidermal electrophysiology, Nat. Commun.2021, https://www.nature.com/articles/s41467-021-25152-y.