印度科研所《ACS Sens》：多功能石墨烯传感器组合作为智能生物监测时尚配饰

成果简介

基于二维纳米材料的生物监测可穿戴传感器引起了人们对新型柔性纳米电子设备的浓厚研究兴趣和潜力。适用于现实世界服务的基于纳米材料的实用设备，在表现出一流的性能的同时又是一个有吸引力的配件，仍然遥不可及。本文，印度科学研究所Vijay Shirhatti等研究人员在《ACS Sens》期刊发表名“Multifunctional Graphene Sensor Ensemble as a Smart Biomonitoring Fashion Accessory”的论文，研究报告了一种多功能柔性可穿戴传感器，该传感器使用石墨烯纳米片的超薄渗透层在激光图案化的金圆形交叉指状电极上制备，用于监测重要的人体生理参数。

这种激光图案化电极 (GLE) 传感器上的石墨烯显示出245με (0.024%) 的出色应变分辨率和6.3×107的创纪录高应变系数，在其工作范围内具有出色的稳定性和可重复性。该传感器已经过人体生理监测测试，例如心率、呼吸频率、体温和水合水平的测量，这些都是重要的健康参数，尤其是考虑到当前的大流行情况。该传感器还用于计步器、肢体运动跟踪器和用于人机交互的控制开关等应用中。用于图案化金薄膜电极的创新激光蚀刻工艺具有多功能无法识别的石墨烯层，提供了一种将多个传感器集成到可穿戴带中的技术。所报道的工作标志着从传统的设备到作为生物监测时尚配饰的高度市场化的多功能传感器阵列的巨大飞跃。

图文导读

图1. 单个GLE传感器的制备过程示意图

图2、机械和热特性表征

图3. (a) GLE 传感器固定在桡动脉上；(b) 径向脉搏检测显示 66 BMP；(c) 扩展脉搏波形描绘特征：波形的开始 (S)、冲击波 (P)、潮汐波 (T)、重波切迹、重波 (D)，以及明显区分收缩期和舒张期心律；(d) 贴在胫后动脉上的传感器；(e) 检测显示冲击波和反射重波的脉冲(f, g) 传感器固定在脚后跟上用于计步应用，单步被视为局部最大值；(h) 短跑过程中的步数检测，单步记录为“M”形特征；(i) 在短跑期间同时检测脚后跟的脉搏率和步数。

图4. (a, b) 手掌抓握动作检测；(c, d) 手腕运动；(e, f) 传感器作为控制开关，通过轻敲传感器进行操作；(g, h) 呼吸频率测量显示放松呼吸（20 次/分钟）和快速呼吸（每分钟约50次呼吸），传感器固定在上腹部；(i) 使用 GLE 传感器测量体温，1 小时移动平均值为 37.05 °C，并对局部温度调制做出快速响应；(j) 基于皮肤电阻测量监测身体脱水情况，脱水持续时间为6 时。

图5. (a) 带有集成传感器的 GLE 带，用于检测 HR、BT、水合作用、手腕运动和触觉输入，与 Arduino nano 33 IOT 接口。(b) 描绘组成层的 GLE 带示意图——在传感器位置具有通孔的 PET 基板，具有用于沉积温度和水合传感器的 PET 基板薄膜的窗口的 PDMS 层，PDMS 和 PET 基板上的 Cr-Au 薄膜，薄膜的激光蚀刻。(c, e) 戴在手上的 GLE 带，图标突出显示 GLE 传感器的应用（从左到右）监测心率、体温、呼吸率、四肢运动、脱水、步数、中继控制命令和无线传感器数据沟通。(d) 基于足部的 HR、BT 和步数检测的多功能设备。

图6. 作为智能生物监测时尚配饰的定制金色GLE手镯。

小结

激光图案化 IDE 上的石墨烯纳米片有助于通过简便且经济高效的方法实现超薄传感层。据报道，GLE 传感器的突出特点是超高灵敏度、高应变分辨率、皮肤适形结构、生物相容性和美学吸引力，并是真正的适销商品。

文献：https://doi.org/10.1021/acssensors.1c01393