多模態(tài)神經(jīng)電信號如何監(jiān)測MXene電子紋身呢

縱觀人類科學的發(fā)展史，歷代的科學家們一直嘗試在混亂無序的無機世界與生命體之間搭建溝通的橋梁。而遠在幾千年前，我們的祖先會在身體表面繪制不同的紋身圖案。盡管這種紋身僅僅是作為辟邪或者是顯示地位的圖騰，卻也是現(xiàn)代電子皮膚或電子紋身概念最原始的起源。

北京師范大學化學學院劉楠教授團隊寄望于開發(fā)一種薄如蟬翼的電子皮膚，能夠實時監(jiān)控身體的各項指標，甚至變成手勢控制器，操控各種智能設備。課題組近幾年在低維碳基高性能電子皮膚（Sci. Adv. 2017, 3, e1700159; Nat. Commun., 2021, 12, 4880）、電極/皮膚界面耦合規(guī)律及多場景應用（ACS Nano 2022, 16, 17168; Adv. Funct. Mater. 2022, 2206424; Adv. Func. Mater. 2020, 30, 200098）以及光觸發(fā)電子皮膚（Adv. Funct. Mater. 2021, 32, 2107524; Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2111529; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2212210）等領域有了深厚的積淀，基于此設計了一款新型的納米厚度的透明電子紋身。相關工作以“An Ultra-thin MXene Film for Multimodal Sensing of Neuroelectrical Signals with Artifacts Removal”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。

本論文秉承提升層間電荷傳輸?shù)乃枷?，采用一步液相法制備了納米級厚度的PEDOT:PSS交聯(lián)MXene超薄電極。在MXene層間創(chuàng)造了大量的交聯(lián)位點和電子躍遷路徑，使其既具有較強的層間相互作用，又有充足的層間電荷傳遞路徑（如圖1所示）。

圖1 電子紋身設計示意及相關性能

本論文通過聚焦離子束刻蝕-高分辨透射電子顯微鏡（FIB-HRTEM）以及掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）等多種實驗手段證明PEDOT:PSS交聯(lián)前后的MXene層間距離及排列變化。為進一步理解層間交聯(lián)的機制，還通過密度泛函理論（DFT）計算，深入研究了MXene與PEDOT:PSS的相互作用機理（如圖2所示）。

圖2 電子紋身的結構分析及相關理論計算

得益于超薄的厚度（~20 nm），該電子紋身可以很容易地轉移到不同的紋理表面貼附，從而促進界面粘附/穩(wěn)定。這種超共形特性加之優(yōu)異的導電性和贗電容優(yōu)勢，使得MXene電子紋身與皮膚之間的電子-離子傳導得以顯著提升。該電子紋身還具有與磁共振成像（MRI）和功能性近紅外光譜（fNIRS）良好的兼容性，可以實現(xiàn)多模態(tài)認知神經(jīng)監(jiān)測（如圖3所示）。

圖3 電子紋身在多模態(tài)認知監(jiān)測方面的應用

該論文的第一作者為宋德魁博士。該研究得到了韓國延世大學Kwanpyo Kim教授團隊在FIB-HRTEM方面的大力支持，美國斯坦福大學Hongping Yan博士和Song Zhang博士在GIWAXS方面的幫助以及北京師范大學認知神經(jīng)科學與學習國家重點實驗室盧春明教授課題組在fNIRS及多模態(tài)認知神經(jīng)監(jiān)測方面的支持與幫助。該研究還獲得了國家自然科學基金委的資助。

審核編輯：劉清