DOI: 10.1021/acsaelm.0c00841
本研究以炭黑（CB）、還原氧化石墨烯（rGO）和聚氨酯（PU）為原料合成了碳電極，并將其用作靜電紡絲收集器。在靜電紡絲過程中，納米纖維沉積在碳膜收集器上。碳電極和沉積的納米纖維共同形成納米纖維碳電極。最終，成功開發出一種可伸縮柔性納米纖維膜傳感電極，并將其應用于智能服裝以監測ECG和EMG。通過混合聚偏氟乙烯（PVDF）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT/PSS）并對其進行靜電紡絲制備出納米纖維。導電PEDOT/PSS聚合物的添加抑制了纖維上微珠的形成，并增強了纖維的完整性和導電性。此外，將CB/rGO碳膜用作靜電紡絲收集器。向碳膜中添加分散劑可改善其導電性和拉伸性。結果表明，通過靜電紡絲法制備的納米纖維碳電極具有較高的導電性（表面電阻=2.5×101Ω/sq），較好的機械耐久性（經過3000次重復使用后可保持穩定的電路）和疏水性表面（水接觸角=146°）。與傳統的商用濕電極（Ag/AgCl）相比，本研究開發的納米纖維碳電極表現出與人體皮膚的良好接觸性和出色的耐久性。這些優點使得納米纖維碳電極適合于長期生物信號記錄。此外，可以將這種電極集成到可穿戴系統中以進行醫療保健監測。
圖1.SMA-M1000共聚物對碳納米材料分散特性的影響：（a）當SMA-M1000存在時CB和rGO的分散機理。CB/rGO/SMA-M1000復合系統的分散測試：（b，c）TEM圖像和（d）由DLS分析得出的粒徑分布。插圖為分散液的真實照片。分散在DMF溶劑中的CB/rGO/SMA-M1000樣品以以下五種不同的重量比制備：（1）1:1:0，（2）10:10:1，（3）5:5:1，（4）1:1:1和（5）1:1:5。
圖2.通過靜電紡絲合成納米纖維膜的過程及其結構分析：（a）納米纖維碳電極的合成過程示意圖。首先通過澆鑄碳漿在玻璃基板上形成碳電極，然后通過靜電紡絲將納米纖維沉積在碳電極上。這兩個組分一起形成納米纖維碳電極。（b）碳電極的SEM圖像，包括（1）碳電極的頂面和（2）碳電極的橫截面。（c）加入PEDOT/PSS后纖維的SEM圖像和形態差異。（d）納米纖維碳電極的截面SEM圖像。
圖3.納米纖維碳電極的電性能分析：（a）皮膚阻抗和電極的示意圖。心電圖首先從心臟傳輸到皮膚，然后被電極接收，最終傳輸到設備進行測量。（b）以不同組分比率制備的CB/rGO/SMA-M1000樣品的阻抗頻率關系：（1）1:1:0，（2）10:10:1，（3）5:5:1，（4）1:1:1和（5）1:1:5。（c）用水清洗20次后的碳電極和納米纖維碳電極以及使用20次后的Ag/AgCl的電極皮膚-頻率阻抗分析和阻抗分析。
圖4.測試納米纖維碳電極上的機械強度。（a）重復拉伸（10次）后10-50％變形范圍內纖維的截面SEM圖像。（b）重復拉伸試驗（10次）期間10-50％變形范圍內的應力-應力曲線。（1）和（2）分別對應于碳電極和納米纖維碳電極。（c）LED電路板上的納米纖維碳電極的拉伸測試和相應的亮度變化。（d）使用三個水滴測量2×2cm樣品的接觸角。通過插圖對測量方法進行說明。
圖5.ECG信號的測量和分析。（a）在衣服上設計納米纖維碳電極。（b）在鍛煉過程中三種傳感器收集的ECG信號的比較。（c）納米纖維碳電極在t=4.2s，（d）t=14.2s以及（e）t=25.6s時收集的信號。
圖6.納米纖維碳電極和Ag/AgCl電極記錄的EMG信號之間的比較。（a）將電極固定在手臂上，并通過手臂的擺動產生EMG信號。（b）將電極貼在小腿上，并通過行走產生EMG信號。（c）將電極貼在手上，以記錄由手指運動產生的信號。
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