基于石墨烯和聚二甲基硅氧烷复合材料的紧凑型可穿戴设备

在最近发表在开放获取期刊《Nanomaterials》上的一篇文章中，综述了各种基于石墨烯和聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 复合材料的紧凑型可穿戴设备的加工和应用，以通过感应电化学和应变信号来检测人体的生理状态。

石墨烯和聚合物基复合材料

近年来，石墨烯因其厚度最小、透明、热导率和电导率高、机械强度高、长径比高、重量轻以及对各种功能化的良好控制而成为最受关注的纳米电子器件材料。

此外，它有效地取代了早期基于大型集成电路（IC）的传感器，这些传感器大多是带有硅衬底或矩阵的半导体，以及沉积在其上的导电金属纳米颗粒，以形成连续的导电路径。然而，原始石墨烯的零带隙可调性使其不同于半导体。有几种方法可以打开多层石墨烯及其复合材料的带隙。

柔性是可穿戴电子设备的另一个理想特性，可以通过加入聚合物来实现。聚合物如PDMS、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）和聚酰亚胺（PI）广泛用于需要高柔性和机械性能的产品中。

此外，还有一些导电聚合物，例如聚苯胺（PANI）、聚乙炔（PA）、聚吡咯（PPy）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS），它们需要极少量甚至不需要金属纳米颗粒来形成导电通路。

在上述聚合物中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）性质相似，两者都具有化学惰性、光学透明、疏水性，且大多具有生物相容性，因此PDMS与石墨烯形成复合材料的材料。此外，已知PDMS与纳米填料形成强界面结合。这些复合材料可以为目前可用的健康手环、葡萄糖传感器和智能手表增加新的维度，用于监测人体生理状态的响应性和准确性。

基于石墨烯/PDMS的传感器的类型

01、石墨烯的纳米粉体

纳米粉末形式的石墨烯保持了其优异的离子承载能力。此外，粉末石墨烯可以在不破坏其导电网络的情况下，利用其衬底的高柔韧性进行调节。激光诱导多功能石墨烯粉末可沉积在柔性PDMS/PI基底上，制成血糖传感电化学传感器。

同样，带有石墨烯纳米粉的超弹性波纹PDMS基板也用于柔性应变传感器。波纹PDMS基板在应变下的拉伸和挤压会影响石墨烯粉末网络的导电性。挤压会增加电阻，而拉伸会降低电阻。

02、还原氧化石墨烯（rGO）

rGO比原始石墨烯便宜，但在相似特性上差别很小。使用rGO的优势在于其高比表面积，这在基于吸收的传感应用中至关重要。表面积越大，目标化学品或气体的吸收量越高。这将提高测量值的精确度、线性度和循环稳定性。

此外，它还可以引入更多的二次传感材料，从而增强其多功能化能力。使用沉积在碳纳米管（CNT）和PDMS复合基底上的rGO涂层二氧化硅（SiO2）纳米球、葡萄糖氧化物和Nafion溶液检测汗液中的葡萄糖。化学电阻气体传感器由rGO和氧化锌（ZnO）纳米棒制成。

03、石墨烯纳米片（GNP）

GNP的尺寸小于一微米，平均密度在0.2到0.4 g/cm3之间。与石墨烯纳米粉相比，GNP的尺寸更大，因此具有很高的稳健性和重复性。GNP/聚己内酯（PCL）混合物与PDMS掩蔽用于乙醇蒸汽的化学电阻检测。GNPs、铂纳米颗粒（Pt NPs）和硅橡胶复合材料可用作聚合物电解质膜燃料电池催化剂。

04、石墨烯量子点（GQD）

GQD是尺寸小于100nm的石墨烯纳米颗粒。基于GQDs/PDMS的传感器用于量化卵巢癌生物标记物CA-125抗原。这些传感器由带有3-氨基丙基三甲氧基硅烷（APTMS）功能化GQDs层的氨基修饰玻璃芯片组成，GQDs层使用化学发光共振能量转移过程捕获CA-125抗原的抗体。

参考来源：He, S., Zhang, Y., Gao, J., Nag, A., Rahaman, A., Integration of Different Graphene Nanostructures with PDMS to Form Wearable Sensors. Nanomaterials 2022, 12, 950.