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協(xié)同作用助力超薄電極電生理監(jiān)測

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表皮電生理信號，如肌電（EMG）、心電（EEG）、眼電（EOG）和腦電（EEG）等是反映人體健康狀況的重要生理指標(biāo)。然而，運動狀態(tài)采集高信噪比的電生理信號仍是一大挑戰(zhàn)，是可穿戴電子器件用于醫(yī)療健康和人工智能領(lǐng)域亟需解決的問題。其原因是：1）電生理信號非常微弱（比如腦電信號核心頻率為0-50 Hz，幅值 < 200 μV）；2）人在運動狀態(tài)下，皮膚表面形貌變化和汗液分泌等，導(dǎo)致電極電位波動產(chǎn)生運動偽影。運動偽影的干擾使得表面電生理信號所含信息嚴(yán)重受損甚至完全掩蓋。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)長時間、高質(zhì)量、全天候的電生理信號采集監(jiān)測是可穿戴表皮電子的關(guān)鍵之一。目前商用電生理電極為Ag/AgCl凝膠電極，凝膠能夠幫助電極在人體靜止?fàn)顟B(tài)下與皮膚很好地接觸，從而降低電極/皮膚界面的接觸阻抗，但是當(dāng)人體運動時，很容易在皮膚表面發(fā)生相對位移，帶來運動偽影。同時，凝膠的流動性制約了陣列多點的肌群測試，長期使用可能引發(fā)皮膚過敏，凝膠干燥使信號不穩(wěn)定等。

針對這一問題，化學(xué)學(xué)院劉楠教授團(tuán)隊設(shè)計制備了一種透明、導(dǎo)電、超薄無凝膠干電極（約100 nm厚），可以長時間、動態(tài)化地與皮膚形成無感的共形貼附，實現(xiàn)穩(wěn)定的電極/皮膚電化學(xué)界面，用于低運動偽影和長時間的電生理信號采集監(jiān)測。該電極是基于CVD生長的大面積石墨烯薄膜（~ 1nm厚）和聚（3,4-乙撐二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）協(xié)同相互作用而形成的超薄、透明、超導(dǎo)電薄膜（命名為PTG）。由于PEDOT:PSS和石墨烯之間的π-π相互作用，使得PEDOT共軛鏈高度有序排列，并且實現(xiàn)PEDOT和石墨烯之間有效電荷轉(zhuǎn)移。這種協(xié)同相互作用，使得PTG電極具有超薄特性，并表現(xiàn)出極低的面電阻（24Ω/sq），極高的電導(dǎo)率（4142 S/cm），高透明度和拉伸應(yīng)變下的電學(xué)穩(wěn)定性。

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圖1 基于石墨烯和PEDOT:PSS協(xié)同相互作用的表皮電生理電極示意圖。（a）PTG電極結(jié)構(gòu)示意圖；（b-e）拉曼光譜、紫外可見近紅外光譜、電子自旋共振光譜表征；（f）石墨烯/PEDOT:PSS的π-π相互作用。

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PTG電極的超薄、超導(dǎo)電特性和較低的楊氏模量使得該電極可以緊密貼附于皮膚表面，具有較低的電極/皮膚界面阻抗，因此可以精確采集皮膚表面電生理信號，尤其可以減少運動偽影的干擾。一個重要應(yīng)用實例為面部肌電的實時檢測。人體面部起伏較大常伴隨褶皺、汗液分泌等，并且豐富的面部表情、說話咀嚼等動作使得面部長期處于運動狀態(tài)，因此面部肌電信號采集極具挑戰(zhàn)。PTG電極相較于商用電極能夠穩(wěn)定采集面部肌電信號，有效避免運動偽影和電極脫落。同時 PTG電極的超薄透明特性，使其可以同時觀測皮下血流狀態(tài)和采集肌電信號，在面癱治療中有潛在應(yīng)用。也可以用面部表情控制機(jī)械手的運動，實現(xiàn)人機(jī)交互。在電生理信號中，腦電信號（EEG）強(qiáng)度弱、頻率范圍低，常常淹沒在肌電、眼電及環(huán)境噪音中難以區(qū)分。將PTG電極貼附在被試者額葉，監(jiān)測其不同狀態(tài)下腦部活動達(dá)12小時，可以提取出被試者的腦電信號，清晰區(qū)分其在睡眠狀態(tài)、運動狀態(tài)以及運動后平靜狀態(tài)下的alpha（8-13 Hz）和beta（13-30 Hz）腦電波。

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圖2 PTG電極在表皮電生理信號采集方面的應(yīng)用。(a-f) PTG電極在面部肌電、面癱治療和基于面部表情的人機(jī)交互中的潛在應(yīng)用；(g) PTG電極長時間監(jiān)測腦電信號。

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該工作得到了國家自然科學(xué)基金、海外高層次人才計劃啟動基金、中央高?；A(chǔ)研究基金和北京市科委的資助。相關(guān)成果以題為“Ultra-conformal skin electrodes with synergistically enhanced conductivity for long-time and low-motion artifact epidermal electrophysiology”發(fā)表在《Nature Communications》上。文章第一作者為北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士生趙艷，通訊作者為劉楠教授。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25152-y

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