北師大Nature子刊：協同作用助力超薄電極電生理監測

　　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。然而，運動狀態采集高信噪比的電生理信號仍是一大挑戰，是可穿戴電子器件用于醫療健康和人工智能領域亟需解決的問題。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）人在運動狀態下，皮膚表面形貌變化和汗液分泌等，導致電極電位波動產生運動偽影。運動偽影的干擾使得表面電生理信號所含信息嚴重受損甚至完全掩蓋。因此，能夠實現長時間、高質量、全天候的電生理信號采集監測是可穿戴表皮電子的關鍵之一。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狀態下與皮膚很好地接觸，從而降低電極/皮膚界面的接觸阻抗，但是當人體運動時，很容易在皮膚表面發生相對位移，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，長期使用可能引發皮膚過敏，凝膠干燥使信號不穩定等。

　　針對這一問題，北京師范大學化學學院劉楠教授團隊設計制備了一種透明、導電、超薄無凝膠干電極（約100 nm厚），可以長時間、動態化地與皮膚形成無感的共形貼附，實現穩定的電極/皮膚電化學界面，用于低運動偽影和長時間的電生理信號采集監測。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）協同相互作用而形成的超薄、透明、超導電薄膜（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PEDOT和石墨烯之間有效電荷轉移。這種協同相互作用，使得PTG電極具有超薄特性，并表現出極低的面電阻（24Ω/sq），極高的電導率（4142 S/cm），高透明度和拉伸應變下的電學穩定性。

圖1 基于石墨烯和PEDOT:PSS協同相互作用的表皮電生理電極示意圖。（a）PTG電極結構示意圖；（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。

　　PTG電極的超薄、超導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，因此面部肌電信號采集極具挑戰。PTG電極相較于商用電極能夠穩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和采集肌電信號，在面癱治療中有潛在應用。也可以用面部表情控制機械手的運動，實現人機交互。在電生理信號中，腦電信號（EEG）強度弱、頻率范圍低，常常淹沒在肌電、眼電及環境噪音中難以區分。將PTG電極貼附在被試者額葉，監測其不同狀態下腦部活動達12小時，可以提取出被試者的腦電信號，清晰區分其在睡眠狀態、運動狀態以及運動后平靜狀態下的alpha（8-13 Hz）和beta（13-30 Hz）腦電波。

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

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