[发明专利]柔性石墨烯电极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种柔性石墨烯电极及其制备方法和应用，该制备方法包括：提供一形成于基底上的石墨烯层；通过纺丝处理引入含碳纤维于石墨烯层表面，经退火处理得到形成于石墨烯层表面的碳化纤维层；向碳化纤维层表面涂覆聚合物溶液，溶剂蒸发后得到碳化纤维层部分嵌入于其中的柔性层；及刻蚀去除基底，得到柔性石墨烯电极。本发明的柔性石墨烯电极坚固耐用、导电性能好，可用于人体皮肤进行电生理信号检测，经多次重复使用后仍能保持较高的信噪比，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种柔性石墨烯电极及其制备方法和应用。

背景技术

柔性电极贴是可穿戴器件中的重要部分，传统电生理传感系统信号采集线路冗繁。开发应用于人体皮肤表面，可随皮肤运动变化而同时拉伸变化且保持功能完整性和穿戴舒适性的电生理检测器，对于体育科学、人机智能交互、健康监护、医疗康复等领域的发展具有重要的意义。轻量微型、操作简洁、性能稳定是未来可穿戴器件必不可少的功能要求，尤其与皮肤直接接触(贴肤型)的可穿戴器件(如测量肌电图、心电图、脑电图等)。石墨烯具有优良的导电性、透光性、稳定性，对于贴肤型电生理传感器的柔性集成和轻量微型化开发具有重要的实践意义。

传统刚性电极以金属电极材料为基础，可以设计和构筑各种皮肤电极。在这些皮肤传感器中，金(Au)因其生物相容性和延展性成为主要的传感材料。由金和聚对二甲苯制成的300nm薄膜对生物表面具有自粘性，但其超薄特性在日常使用中不易处理。此外，金价格昂贵且在视觉上不透明，因此不适用于无感检测。例如，当将Au制成纳米网状结构以作为可透气且可拉伸皮肤传感器时，Au的成本和可见度以及昂贵且费时的真空沉积过程极大地限制了其实际可用性。然而考虑到生物相容性和延展性，很少有人报告将Au以外的金属用于皮肤电子系统中进行电生理信号检测。目前商用的电极主要是Ag/AgCl凝胶电极，电极通过凝胶与皮肤接触。然而传统电极在运动、重力摩擦等作用下，接触阻抗增加，电极会逐渐失效。

为了降低刚性和实现生物兼容性，人们把研究方向转向了石墨烯薄膜，石墨烯是一种单原子薄的导电材料，具有生物相容性，光学透明性和电化学稳定性。在所有石墨烯来源中，就导电性和透明度而言，通过化学气相沉积方法生长石墨烯薄膜的质量最好。为了使石墨烯薄膜成为用于皮肤上电生理传感器的合适材料，石墨烯薄膜的机电稳定性是首先要克服的挑战。据报道，由3M Tegaderm胶带持有的透明石墨烯电子纹身能够在高应变下保持电导率并准确地检测电生理信号。然而，此类电子纹身的制造工艺复杂，而且原子厚的石墨烯易碎。由于皮肤电极会受到反复和长期的机械应力，因此迫切需要一种坚固耐用的皮肤传感器，以便可靠地在不同的情况下测量患者的重要电生理指标。

需注意的是，前述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种柔性石墨烯电极及其制备方法，以及该柔性石墨烯电极作为用于检测电生理信号的皮肤电极的应用，以解决现有皮肤电极检测能力差、制备工艺复杂、机械性能差等问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种柔性石墨烯电极的制备方法，包括：提供一形成于基底上的石墨烯层；通过纺丝处理引入含碳纤维于石墨烯层表面，经退火处理得到形成于石墨烯层表面的碳化纤维层；向碳化纤维层表面涂覆聚合物溶液，溶剂蒸发后得到碳化纤维层部分嵌入于其中的柔性层；及刻蚀去除基底，得到柔性石墨烯电极。

根据本发明的一个实施方式，纺丝处理选自熔融纺丝、湿法纺丝和静电纺丝中的一种或多种。

根据本发明的一个实施方式，纺丝处理为静电纺丝，静电纺丝的前驱体溶液为包含第一聚合物和金属盐的溶液，第一聚合物选自酚醛树脂、聚丙烯腈中的一种或多种，金属盐选自氯化铜、氯化钠和氯化钾中的一种或多种。