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在植物表面气相印刷制备聚合物电极

发布时间:2019-07-11 访问次数:278次 来源:印刷电子在线 分享:

实时可穿戴健康监测装置通常使用体表粘附电极作为检测电极元器件。而这种电极监测元件主要是将聚合物,纳米颗粒/纳米线或碳材料等功能材料制备成薄膜,并贴敷在生物体组织表面进行体表信号检测。然而,生物组织表面的微观结构多样,并且这种微结构活组织与体表监测膜之间的界面非常复杂,特别是薄膜形态和界面结构严重影响了检测器件的性能和寿命。目前诸如智能贴片和按压按钮等商用的一次性使用电极通常受到电极的反复的粘结与脱离,以及组织表面释放的水分空气等,严重影响了电极设备的长期使用能力。

近期,马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的研究者展示了一种新的体表电极的制备方式,使用气相印刷的方式在生物体电极表面直接制备生物相容性聚合物薄膜电极上,并且成功实现了生物组织的阻抗测量以及长期健康监测。在验证的概念这项研究中,研究者使用活的植物作为一个实验样品,植物体表面具有丰富的表面形貌,并通常被用作类生物组织模型可以进行针对性的生化研究。此外,这种植物健康监测还可以用于粮食养殖,作物管理和生物危害等方面。

气相印刷方式可以实现多种复杂结构的功能薄膜制备。如果可以开发温和且通用的处理方法就可以实现在生物体上制备导电聚合物电极,并可以用于执行生物阻抗谱和健康监测。

图 1 在植物叶片上通过气相印刷聚合物薄膜

(A)用功能性聚合物薄膜蒸汽涂覆活植物的方法。(B)在低压反应器中发生的氧化聚合反应和在该工作中使用的导电聚合物涂层PProDOT-Cl的结构。(C)具有涂有PProDOT-Cl的所选叶的尖端的景天石。(D)具有涂有PProDOT-Cl的最外层叶子的暴露表面的空气设备。(E)使用放置在一片叶子上的聚酰亚胺胶带掩模实现涂覆有PProDOT-Cl电极图案的植物切割。(F)原始和PProDOT-Cl涂覆的天竺葵叶的数字照片(左)和光学显微照片(右)。(G.)原始和PProDOT-Cl涂层的pothos叶片的数字照片(左)和光学显微照片(中),以及原始和聚合物涂层的pothos的扫描电子显微照片(SEM;右)。(H)用PProDOT-Cl电极图案蒸汽涂覆的切割芦荟叶的数字照片(左)和原始和聚合物涂覆的芦荟造口的SEM(右)。

图2 检测涂层植物物质的健康状况

(a)在48小时内监测原始(顶部)和聚合物涂覆的(底部)hoya花的检测图片,(b)不同条件生长天数和环境下下制备的气相印刷PProDOT-Cl薄膜的幼苗的数码照片,(c)如插图所示,不同去向上测量PProDOT-Cl涂层的表面电导率。(d)在棕榈叶上PProDOT-Cl涂层在重复弯曲训话下的电阻变化情况,(e)用水润湿叶片促使其被动蒸发情况下的电阻变化。

图 3涂有PProDOT-Cl电极垫的活植物的生物阻抗谱

(A)在130天监测期内聚合物pothos幼苗的照片。包括直接气相印刷薄膜,以及在水里和土壤中生长45,90,和130天后。(b)为pothos幼苗不同生长状态下的频率-阻抗响应曲线,以及(c)不同生长状态下的频率-相相角响应曲线。阴影区域表示测量数据的变化范围。(b)中的插图为阻抗测量的电路模型。(d)用于检测干旱生长条件下的聚合物涂覆的pothos叶的照片。(e)不同的脱水阶段,pothos叶的频率-阻抗响应曲线。(f)为pothos叶子的细胞膜电容(C M.)与含水量的函数关系。(g)为原始玉簪叶和经过UVA光照射的玉簪叶的照片。UVA照射的能量相当于9.5天的日照。(h)为原始(绿色)和UVA暴露(紫色)玉簪叶的频率-阻抗响应曲线,(I)为想对应的频率-相角响应曲线。

图4 使用粘附光刻工艺开发制备的有机发光二极管

参考文献:Large-areaplastic nanogap electronics enabled by adhesion lithography,npj Flexible Electronics 2, Article number: 18 (2018)

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