可穿戴式石墨烯传感器利用环境光监测健康状况

涂有纳米颗粒的石墨烯已被用于制造可穿戴式光传感器,该传感器可通过环境光来测量穿过人体组织的脉搏和血氧水平,从而为医疗保健监测提供了一个潜在的平台。

  可穿戴技术的普及率已经大幅上升,预计到2022年,市场将达到数百亿美元。然而,目前最常见的可穿戴设备的有效性因其组件的物理规格而受到阻碍:尽管可穿戴设备通常被嵌入柔性软壳中,但传感器和电子设备等主要部件仍然是刚性的。

  现在,Polat等研究人员在《科学进展》杂志上发表了一篇文章,报道了一种真正灵活、透明的可穿戴设备,这种设备基于石墨烯,该石墨烯上面覆盖着一层称为量子点的半导体纳米颗粒。与众不同的是,这些设备仅使用环境光作为信号来测量各种生命体征。

使用光检测生命体征的传感器。.png

使用光检测生命体征的传感器

石墨烯在可穿戴设备中的优异功能

  二维材料指的是仅有一个或几个原子厚度的材料,最典型的二维材料就是石墨烯,它由排列在六边形晶格中的碳原子组成。就当前来说,二维材料,尤其是石墨烯在开发下一代可穿戴式软生物传感器方面具有巨大的潜力,因为它们将导电性、光学透明性和机械柔韧性与出色的生物相容性和对生物电解质的稳定性结合起来了。基于石墨烯的纹身类设备此前被用于记录人体健康信号,如心律、皮肤水合作用和体温。它们的优异性能与石墨烯的亚纳米厚度有关,这使石墨烯可以随着皮肤进行弯曲和拉伸,而不会影响传感器性能。

  现在,通过将由半导体硫化铅(PbS)制成的光敏量子点沉积到石墨烯层上,扩展了石墨烯在可穿戴设备中的功能。当被照明时,量子点产生成对的带电粒子:带负电荷的电子和带正电荷的空穴(与原子晶格中缺少电子有关的准粒子)。电子被困在量子点中,但空穴被转移到石墨烯层并增加其导电性,从而产生可测量的电信号。研究人员利用这种行为从量子点涂覆的石墨烯构建了光传感器。

  研究人员观察到,其设备的响应度(每个光输入的电输出)非常大。高响应性归因于以下事实:石墨烯层中的空穴被量子点回收,从而有效地增加了器件中每个吸收的光子产生的电荷载流子的数量,而器件被称为具有光电导增益。

  一般的光传感器通常没有光电导增益,因此需要放大器设备来增强电信号,不过放大器设备会增加功耗和整个设备的尺寸。此外,放大器必须紧邻传感器,这又会限制可穿戴设备吸收皮肤轮廓的能力。而研究人员研发的设备固有的光电导增益消除了对放大器的需求,从而解决了上述问题,并使传感器特别适合于实际应用。

可穿戴式光传感器可测量生命体征

  那么,该可穿戴式光传感器是如何测量生命体征的呢?一般情况下,某些特定波长的光很容易穿过人体皮肤和邻近组织,但后来会被血液强烈吸收。其实更具体地说,光会被血红蛋白吸收,血红蛋白是红细胞中运输氧气的分子。通过持续监测穿过组织的光强度,传感器可以产生称为光电容积描记图(PPGs)的读数,其中包含血管容积变化的信息,这些信息可能与心率相关。

  研究人员表明,他们的可穿戴式光传感器设备可以非常显著地利用穿过组织的环境光来精确测量人的心率。此外,这些设备的灵敏度使研究人员可以通过数学分析PPG数据来估计呼吸频率。以前,与呼吸相关的物理运动通常会在刚性可穿戴设备检测到的PPG信号中产生伪影和噪声,但是新设备的物理不干扰和灵活性克服了这一问题。

  研究人员表示,他们的可穿戴设备还可以监测医院经常检查的另一个重要健康信号:动脉血氧饱和度(SpO2),即血红蛋白与氧结合达到饱和程度的百分比值。SpO2含量低会导致意识丧失、精神功能受损、呼吸和心脏骤停。富氧红细胞对红光和近红外光的吸收与无氧红细胞的吸收有显著差异。因此,研究人员通过使用他们的设备来测量这两种波长的光吸收来估计SpO2水平。

  最后,研究人员报告了他们的技术的进一步应用:紫外线的监测。某些紫外线波长可能对皮肤有害,甚至可能导致癌症,因此需要测量环境中的紫外线水平。研究人员表明,他们的设备可以与先前制造的芯片集成在一起,从而使传感器能够将紫外线测量值无线传输到手机上,能够连续方便地监控环境紫外线指数。

  该可穿戴式光传感器均被设计成可与可穿戴设备所需的任何其他电子设备进行无线通信,从而将软传感器与任何刚性组件明确分离。但是无线设计需要一个输出设备(例如移动电话)靠近传感器,这使得很难像心率监测那样进行长期监测。在可穿戴柔性传感器和常规电子设备之间建立长期、持续的通信对未来的应用至关重要。或者,可以在灵活平台中包括启用内存存储和简单数字处理的组件,这可以在将来使用石墨烯以外的二维材料来实现。

  石墨烯现在已经被用作可穿戴和移动健康设备的各种原型中的传感器和信号转换器。然而,更重要的是,石墨烯为其他二维材料在传感器和移动健康监测设备中的应用铺平了道路,如今已经发现了数千种这样的材料,但还具有未知的性质。研究人员认为,对这些材料进行全面研究将对未来开发可供人类佩戴、甚至可与人类结合的生物传感器至关重要。


参与评论已发布评论0

0/500

发表评论

推荐阅读