多模态神经电信号如何监测MXene电子纹身呢

纵观人类科学的发展史，历代的科学家们一直尝试在混乱无序的无机世界与生命体之间搭建沟通的桥梁。而远在几千年前，我们的祖先会在身体表面绘制不同的纹身图案。尽管这种纹身仅仅是作为辟邪或者是显示地位的图腾，却也是现代电子皮肤或电子纹身概念最原始的起源。

北京师范大学化学学院刘楠教授团队寄望于开发一种薄如蝉翼的电子皮肤，能够实时监控身体的各项指标，甚至变成手势控制器，操控各种智能设备。课题组近几年在低维碳基高性能电子皮肤（Sci. Adv. 2017, 3, e1700159; Nat. Commun., 2021, 12, 4880）、电极/皮肤界面耦合规律及多场景应用（ACS Nano 2022, 16, 17168; Adv. Funct. Mater. 2022, 2206424; Adv. Func. Mater. 2020, 30, 200098）以及光触发电子皮肤（Adv. Funct. Mater. 2021, 32, 2107524; Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2111529; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2212210）等领域有了深厚的积淀，基于此设计了一款新型的纳米厚度的透明电子纹身。相关工作以“An Ultra-thin MXene Film for Multimodal Sensing of Neuroelectrical Signals with Artifacts Removal”为题发表在《Advanced Materials》上。

本论文秉承提升层间电荷传输的思想，采用一步液相法制备了纳米级厚度的PEDOT:PSS交联MXene超薄电极。在MXene层间创造了大量的交联位点和电子跃迁路径，使其既具有较强的层间相互作用，又有充足的层间电荷传递路径（如图1所示）。

图1 电子纹身设计示意及相关性能

本论文通过聚焦离子束刻蚀-高分辨透射电子显微镜（FIB-HRTEM）以及掠入射广角X射线散射（GIWAXS）等多种实验手段证明PEDOT:PSS交联前后的MXene层间距离及排列变化。为进一步理解层间交联的机制，还通过密度泛函理论（DFT）计算，深入研究了MXene与PEDOT:PSS的相互作用机理（如图2所示）。

图2 电子纹身的结构分析及相关理论计算

得益于超薄的厚度（~20 nm），该电子纹身可以很容易地转移到不同的纹理表面贴附，从而促进界面粘附/稳定。这种超共形特性加之优异的导电性和赝电容优势，使得MXene电子纹身与皮肤之间的电子-离子传导得以显著提升。该电子纹身还具有与磁共振成像（MRI）和功能性近红外光谱（fNIRS）良好的兼容性，可以实现多模态认知神经监测（如图3所示）。

图3 电子纹身在多模态认知监测方面的应用

该论文的第一作者为宋德魁博士。该研究得到了韩国延世大学Kwanpyo Kim教授团队在FIB-HRTEM方面的大力支持，美国斯坦福大学Hongping Yan博士和Song Zhang博士在GIWAXS方面的帮助以及北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室卢春明教授课题组在fNIRS及多模态认知神经监测方面的支持与帮助。该研究还获得了国家自然科学基金委的资助。

审核编辑：刘清