基于柔性参比电极心电检测研究

基于柔性参比电极心电检测研究

佟国鑫 ,崔维磊 ,张仲婕 ,李玉杰 ,朱欣蕊

山东协和学院 山东济南 250109

摘  要：一种柔性生物传感器电极的制备方法，涉及电化学传感器技术领域，以PDMS薄膜为基底，对 其进行表面改性后运用化学沉积金法制备图案 化三电极。通过将具有电催化活性的Ni/Co‑MOF 纳米材料固定于工作电极上，构建用于葡萄糖检 测的柔性生物传感器。本发明无需复杂的设备、 价格低廉，所构建传感器可应用于人体疾病信号实时监测。

关键词：柔性参比电极；PDMS

一、柔性参比电极的特点

柔性电极采用PDMS作为电极基材，使参比电极具有柔性的特点，弯折次数可达600次，所发的柔性参比电极比传统纳米颗粒结构参比电极水合期缩短了约34倍，比丝网印刷电力缩短了约30倍，稳定性优异。开路电位测试15min内点位漂移为1.4mv以内，比传统的纳米颗粒结构参比电极稳定性提高6倍。

1、柔性超声换能器，所述柔性超声换能器用于发射超声波，并基于用户反射的超声波，采集超声检测信号，所述超声检测信号用于确定超声影像信息；与所述柔性超声换能器相对固定的柔性电子层，所述柔性电子层背离所述柔性超声换 能器的一侧表面用于和用户皮肤贴附，采集生理信号。

2、第一基底：设置在所述第一柔性基底朝向所述柔性电子层一侧表面上的柔性电路板；设置在柔性电路板朝向所述柔性电子层一侧表面上的压电陶瓷阵列，具有多个用于发射以及检测超声波的阵元；设置所述压电陶瓷阵列朝向所述柔性电子层一侧表面上的匹配层，所述匹配层与所述 柔性电子层固定；其中，所述柔性超声换能器内具有形变传感器，所述形变传感器用于基于内部传输的 光信号获取能够表征所述柔性超声换能器形变参数的检测信号。

3、柔性电子层包括 第二柔性基底；设置在所述第二柔性基底背离所述柔性超声换能器一侧表面上的电极层，所述电极层包括检测电极；设置在所述电极层背离所述第二柔性基底一侧表面上的封装层，所述封装层具有露出 所述检测电极的窗口，以使得所述检测电极与用户皮肤贴合；其中，所述封装层具有粘性，以使得所述柔性传感器贴附固定在用户皮肤表面。

4、第二柔性基底以及所述封装层的材料包括：氢化苯乙烯‑丁二烯嵌段共聚物、聚二甲基硅氧烷以及脂肪族芳香族无规共聚 酯中的任一种。

二、柔性参比电极的制备方法

1、将聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂以10∶1的比例混合后脱气，然后旋涂在载玻片 上，经固化，制得固化的PDMS薄膜； 将固化的PDMS薄膜从载玻片上剥离，浸泡在多巴胺盐酸盐溶液中24小时，然后用去离 子水冲洗后用 N2 干燥，取得聚多巴胺改性的 PDMS膜；

2、将碳酸氢钾水溶液、葡萄糖水溶液和氯金酸水溶液混合，取得金的化学沉积液； 将聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂以10∶1的比例混合后脱气，然后旋涂在载玻片上， 经固化，制得PDMS掩模； 将PDMS掩模附着在聚多巴胺改性的PDMS薄膜上，并将金的化学沉积液注入 PDMS 掩模 中，待金沉积后，自聚多巴胺改性的PDMS薄膜上剥离去除PDMS掩模，得到图案化电极；

3、将Ag/AgCl浆液滴涂到中间电极上并在 60℃下干燥30分钟作为参比电极；将Ni/Co‑ MOF与Nafion的乙醇溶液混合形成Ni/Co‑MOF分散液滴涂于电极上作为工作电极，取另外一 根金电极则作为对电极。

三、柔性参比电极面临的挑战

柔性参比电极的研制还面临着许多系统性的挑战。除了柔性电极外，还需要完整的电路结构设计、集成电路的非常规组装策略、电源和数据传输支持。无手连续检测需要将电极置于胸部。目前，有一种已获FDA认可的柔性性参比电极监测设备，Zio Patch。虽然电极区域薄而柔软，但是电路、存储和电池模块被集中成一个大的刚性凸块，在贴片的中心有一个柔软的外壳。连续记录单导联心电图可达14d，但不能实时流化心电图数据。心电图数据存储在机上，记录后需要下载。另一种获得FDA许可的商用柔性心电图传感器BioStamp nPoint。其处理器BioStampRC是一种更薄、甚至稍微可拉伸的单导联传感器，可以通过蓝牙将实时数据无线传输到移动设备上。这种岛+桥的设计使其具有延展性。可以通过一个正在靠近的手机激活ECG传感器，将近场通信(NFC)功能集成到patch平台中。虽然整个贴片很薄，并且有轻微的拉伸性，但BioStamp使用的是刚性干电极。超薄金电极可以做成柔性甚至是可拉伸的。图1d为将Au电极喷墨打印在50μm的聚酰亚胺薄膜上作为柔性电极。Kapton是一种具有高热平耐高温(400 0C)的基底材料，集成电路可以直接焊接在其上，在芯片上构建所谓的蓝牙系统。此外，纺织品也被用作电极

为了实现真正意义上具有皮肤柔弹性的无线心电检测，利用三维架构来取代平面蛇形结构。即在Ecoflex基体上，通过三维微尺度螺旋结构螺旋网络连接的刚性集成电路，由于应力分布均匀，表现出显著的拉伸性。有人报道了一种多功能实时心脏监测贴片，其模块化设计将可重复使用的组件和一次性组件分离开来，以解决成本和卫生问题。然而，由于信号处理组件、放大器和滤波器没有集成到设备内部，因此设备必须与外部电源和用于数据处理的数据链相连。且所使用的PET衬底不具备皮肤顺应性。因此，添加导电医用润滑脂以增强电极与皮肤之间的接触。

对于可穿戴设备来说，长期供电的挑战巨大。因此提出多种无线供电/充电策略。如射频(RF)数据/电力传输已在微流体室增强可拉伸心电图装置中实现(图1i)。然而，为了实现完全的无线数据/电力传输，必须结合体积较大的外部波形发生器、接收天线、频率计数器和/或电源模块。

三、总结

通过本项目设计，充分认识柔性参比电极重要地位，实现了柔性参比电极稳定性和可靠性，在环保和经济方面取得成果。

参考文献：

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[2]吉婷.碳基/PEDOT:PSS纳米复合透明电极及其聚合物太阳能电池[D].南昌:南昌大学，2016.

[3]许钰旺，龚又又，王力等。纳米银线-环氧树脂复合导电薄膜的制备及其在柔性触控上的应用[J].液晶与显示

指导老师：颜安、马磊  山东协和学院