清華新聞網(wǎng)12月7日電 柔性電子設(shè)備是未來(lái)個(gè)性化健康管理新范式的重要組成部分，其具有與皮膚貼合、低運(yùn)動(dòng)偽影、長(zhǎng)時(shí)間佩戴舒適等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，在超柔性傳感器中的多通道集成面臨著許多挑戰(zhàn)，主要是缺乏高性能和穩(wěn)定的傳感組件，以及允許皮膚無(wú)約束活動(dòng)和呼吸的理想器件設(shè)計(jì)。
以光電容積脈搏波描記法（PPG）為代表的脈搏與血氧監(jiān)測(cè)技術(shù)已普及，因近紅外光具有出色的皮膚穿透能力，可通過(guò)光電探測(cè)器提取皮下血流搏動(dòng)與血紅蛋白含氧量信息，但設(shè)計(jì)適用于近紅外波段的有機(jī)光電材料及其柔性傳感器件仍具挑戰(zhàn)。將基于光電容積變化的PPG信號(hào)與基于生物電的心電圖（ECG）信號(hào)結(jié)合，可以增加脈搏信息提取的準(zhǔn)確性和可靠性，通過(guò)后處理還可獲得血壓等健康指標(biāo)。盡管已有柔性ECG電極和PPG傳感器相關(guān)工作，但構(gòu)建可靠的可皮膚集成PPG-ECG一體化系統(tǒng)面臨巨大挑戰(zhàn)，包括傳感器間的穩(wěn)固耦合、各器件的高性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性、與皮膚集成的舒適性等。
針對(duì)上述問(wèn)題，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院徐曉敏、成會(huì)明團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了在近紅外光下表現(xiàn)出卓越性能的超柔性有機(jī)光電探測(cè)器（圖1）。該超柔性探測(cè)器厚度小于4μm，在近紅外區(qū)940 nm波長(zhǎng)下的光電響應(yīng)度為0.53AW-1，探測(cè)率為3.4×1013Jones，-3dB下截止頻率超過(guò)1MHz，在有機(jī)近紅外光電探測(cè)器領(lǐng)域達(dá)到領(lǐng)先水平，且具有良好的穩(wěn)定性。基于團(tuán)隊(duì)前期工作提出的可剝離超薄水凝膠與超柔性PEDOT:PSS基導(dǎo)電聚合物紋身電極，團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)一步將超柔性光電探測(cè)器與導(dǎo)電聚合物電極通過(guò)超薄水凝膠集成在一起構(gòu)成PPG-ECG集成貼片傳感器，整個(gè)貼片厚度小于20μm，其彎曲半徑能與皮膚溝壑相匹配，實(shí)現(xiàn)與皮膚保形接觸，并進(jìn)一步構(gòu)建了皮膚集成的多模傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光電和心電信號(hào)的精準(zhǔn)同步監(jiān)測(cè)，即使在動(dòng)態(tài)工作條件下也能精確、穩(wěn)定地測(cè)量各種生命體征，包括心率、呼吸率、血氧飽和度和無(wú)袖帶血壓。
圖1.皮膚集成式PPG-ECG貼片傳感器設(shè)計(jì)
有機(jī)半導(dǎo)體聚合物PTB7-Th與非富勒烯小分子受體COTIC-4F的特征光吸收覆蓋了血氧飽和度檢測(cè)窗口（660和940 nm），通過(guò)富勒烯分子PCBM改性以及超薄超柔性器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使光電探測(cè)器表現(xiàn)出優(yōu)異的性能（圖2）。
圖2.超柔性高性能有機(jī)光電探測(cè)器
所構(gòu)建的超柔性PPG傳感器在紅光和近紅外光下具有高響應(yīng)度和探測(cè)率以及低響應(yīng)時(shí)間，在相同功耗下具有比硅基器件更可靠的PPG信號(hào)檢測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)與缺氧條件下的血氧飽和度精確測(cè)量（圖3）。
圖3.皮膚集成的超柔性PPG傳感器
將PPG傳感器與ECG電極相結(jié)合，可皮膚集成的超柔性多模貼片傳感器與皮膚保形接觸，可同時(shí)精確提取光電和生物電位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)心率、呼吸率、無(wú)袖帶血壓測(cè)量（圖4）。
圖4.皮膚集成的PPG-ECG多模傳感系統(tǒng)
相關(guān)成果近日以“近紅外有機(jī)光電探測(cè)器用于皮膚集成式光電容積-心電多模態(tài)傳感系統(tǒng)”（Near-Infrared Organic Photodetectors toward Skin-Integrated Photoplethysmography-Electrocardiography Multimodal Sensing System）為題發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）期刊上。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院博士后樓子瑞和2021級(jí)碩士生陶鈞為論文第一作者。清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院徐曉敏副教授、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院/中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院成會(huì)明院士為論文通訊作者。論文作者還包括德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)彼得·穆勒-布施鮑姆（Peter Müller-Buschbaum）教授、姜鑫宇博士，浙江大學(xué)朱麗萍教授、覃超博士、梁容博士，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院博士后魏斌斌、2021級(jí)博士生程思敏、2022級(jí)博士生王澤昊、2023級(jí)博士生郭昊天。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市優(yōu)秀青年基金、深圳市高等院校穩(wěn)定支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目以及清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院海外科研合作基金和啟動(dòng)基金等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/advs.202304174
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
