韩国地球科学与矿产资源研究所和江原大学–基于流体力学辅助石墨烯油墨的高伸缩性汗液实时监测传感器

石墨烯墨水最近吸引了人们对开发印刷耐磨和柔性电子器件和传感器的关注，不仅因为它们的高导电性和低成本，还因为它们适合高速印刷。虽然可靠和可扩展的印刷技术已经得到很好的确立，但石墨烯墨水在导电性、拉伸性/柔韧性和大规模生产方面的进一步改进对于实时监控的传感器来说是必要的。在本文中，通过高效且可扩展的流体动力学辅助的石墨剥离以及与弹性体Ecoflex的混合过程，制备了高度可拉伸且导电的石墨烯墨水。在将油墨印刷到纺织品基底上之后，即使在机械拉伸状态(150%的应变)下，蛇形图案的导体也表现出高导电性和稳定的电阻。在这个导电平台上制作了检测钠离子的电化学传感器。这些传感器在不同的机械变形下表现出高电位传感能力。为了证明所开发的传感器的在体性能，在室内静止自行车运动期间，对人类受试者的汗液中的钠离子浓度进行了实时监测。

图1. 使用流体辅助石墨剥离制备Eco-Gr油墨和基于丝网印刷Eco-Gr传感器制造智能运动袜的示意图，该传感器具有Na⁺选择性传感和Ag/AgCl参比电极的双电极配置。

图2.(a)SEM和(b)TEM图片(c)高分辨率的TEM和SAED、(d)XRD图案，(e)FT-IR光谱，以及(f)石墨和Gr的拉曼光谱。

图3. (a)Eco-Gr薄膜的应力-应变曲线(插图:Eco Gr薄膜从0到105%拉伸时的照片图像)。(b)照片图像. (c)不同弯曲角度为0-180°的蛇形结构导体的相对电阻变化。(d)蛇形结构Eco-Gr导体在拉伸(150%的应变)和释放过程中的照片图像。(e)具有0-170%不同应变的线型Eco-Gr、蛇纹石结构Eco石墨和蛇纹石结构Eco-Gr导体的相对电阻变化。(f)采用5000次拉伸(150%的应变)和释放循环对蛇形结构Eco-Gr导体进行疲劳试验。

图4. 生态传感器的电化学传感性能: (a)不同 NaCl 溶液的电磁响应。(b)用于生态传感器的 EMF  log [ Na + ]的校正曲线(N = 5)。(c)截面探测范围。(d)滴定循环在1,10^-1,10^-2和10^-3M NaCl 溶液中的重复性。(e) Eco-Gr 传感器在10^-2M NaCl 溶液中的长期稳定性。(f) Eco-Gr 传感器的选择性测试。

图5. (a)照片图像和(b)Eco-Gr传感器在正常、扭曲、弯曲和拉伸状态下的不同机械变形的EMF响应。(c) EMF响应和(d)Eco-Gr传感器在0、500、1000、2500、5000和10，000次循环后拉伸和释放过程后的灵敏度保持率。

图6.(a)可穿戴的汗液传感器的照片。(b)用 CHI760E 和 PCB 的电化学分析仪校准 Eco-Grsensors 的 EMF 响应和校准曲线。(c) EMF 响应和(d)在室内自行车运动中从受试者的汗液中获得的可穿戴汗液传感器袜子的 Na ⁺ 浓度。

相关科研成果由韩国地球科学与矿产资源研究所Jae-Min Jeong和江原大学Bong Gill Choi等人于2022年发表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://doi.org/10.1021/acsami.2c10638）上。原文：Highly Stretchable Sensor Based on Fluid Dynamics-Assisted Graphene Inks for Real-Time Monitoring of Sweat。