皮膚是人體最大的器官，不僅充當(dāng)?shù)钟饨绛h(huán)境的屏障，也是獲取生理信息的重要窗口，蘊含來自真皮、表皮、血管及內(nèi)臟器官的關(guān)鍵信息?？纱┐鱾鞲衅魍ㄟ^與皮膚的直接接觸，實現(xiàn)對這些生理信號的非侵入性、連續(xù)監(jiān)測，為疾病的預(yù)防、早期診斷和治療提供了新的可能。為了提高佩戴舒適性和測量精準(zhǔn)性，穿戴式傳感器應(yīng)具備優(yōu)異的柔韌性、可拉伸性和生物相容性，確保能夠貼合柔軟、曲線的皮膚表面，并在長期使用中穩(wěn)定工作。此外，多生理參數(shù)的同步監(jiān)測對于全面評估個體健康狀態(tài)具有不可或缺的意義，它能綜合反映各項生理指標(biāo)的變化，為精準(zhǔn)健康管理和個性化醫(yī)療決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。然而，如何在單一傳感器上實現(xiàn)多參數(shù)同步監(jiān)測，同時兼顧高柔韌性、可拉伸性和生物相容性，仍是該領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。
北京航空航天大學(xué)徐立軍教授、郭晶晶副教授團隊在Adv. Mater.期刊上發(fā)表了題為“Stretchable Multimodal Photonic Sensor for Wearable Multiparameter Health Monitoring”的研究論文。該研究提出了一種新型的可拉伸多模態(tài)光子傳感器，能夠在單個光子器件上同時實現(xiàn)對機械、熱和化學(xué)參數(shù)的多模態(tài)感知。傳感器集成了類皮膚的可拉伸、防水、透氣、自粘附等優(yōu)異屬性，能夠與皮膚舒適貼合，實現(xiàn)對心率、呼吸、體溫及汗液pH等多項生理參數(shù)的實時監(jiān)測，為可穿戴多參數(shù)健康監(jiān)測提供了全新的解決方案。
多模態(tài)光子傳感器的設(shè)計
該傳感器采用具有水凝膠包層的聚二甲基硅氧烷光纖（HPOF）作為敏感元件，并將其封裝在兩層彈性聚氨酯之間，底層為皮膚粘附基底，最外層為防水保護層。皮膚粘附層設(shè)計有狹縫結(jié)構(gòu)，使HPOF能夠直接接觸皮膚并采集汗液樣本。通過在HPOF上集成多種對不同波長響應(yīng)的傳感機制，實現(xiàn)對不同模態(tài)刺激的識別與感知。為簡化解調(diào)結(jié)構(gòu)，該團隊創(chuàng)新性利用光子上轉(zhuǎn)換和輻射能量轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生光譜分辨的多波段發(fā)射，使得傳感器能夠通過單一激光二極管進行探測。HPOF的纖芯由含有NaYF4:Yb,Er上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNPs）的PDMS復(fù)合材料制成，包層則采用透明、低折射率的聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠材料。UCNPs中的Er3?離子具有一對熱耦合能級，利用這對能級產(chǎn)生的發(fā)射譜帶的溫度依賴性，可實現(xiàn)對溫度的靈敏檢測。PAM包層不僅賦予光纖階躍折射率的導(dǎo)光特性，還引入了豐富的氨基官能團。該團隊進一步利用NHS酯基團與氨基的共價結(jié)合，將pH敏感熒光染料（pHrodo Red）共價固定于PAM聚合物鏈上，從而實現(xiàn)對pH的響應(yīng)。pHrodo Red的吸收光譜與UCNPs的發(fā)射帶重疊，從而促進輻射能量轉(zhuǎn)移（RET）的發(fā)生。此外，該染料分子還賦予了HPOF波長依賴的吸收特性，基于光在特定波長的吸收變化，可以定量檢測光纖所受的機械形變。 圖1 可拉伸多模態(tài)光子傳感器設(shè)計、制備和功能 多模態(tài)傳感機理及其性能研究 圖2 溫度敏感機理及傳感特性 圖3 pH敏感機理及傳感特性 圖4 應(yīng)變敏感機理及傳感特性 人體多生理參數(shù)監(jiān)測應(yīng)用 圖5 對人體健康進行實時多參數(shù)監(jiān)測 結(jié)論與展望 該研究為柔性光子器件在可穿戴健康監(jiān)測中的應(yīng)用提供了新的思路與可能性。區(qū)別于以往報道的多傳感器融合設(shè)計，該團隊利用光信號的多維度信息，在單一光子傳感器上實現(xiàn)了機械、熱、化學(xué)刺激的獨立感知，且無需復(fù)雜的傳感器集成或信號解耦算法，簡化了系統(tǒng)設(shè)計并提升了感知性能。憑借其多模態(tài)感知能力，優(yōu)異的柔韌性、可拉伸性和生物相容性，該傳感器能夠舒適的皮膚持續(xù)地監(jiān)測由動脈脈搏、心肺活動等引起的機械刺信號，以及皮膚溫度和汗液pH值，從而更為全面的揭示人體的健康狀態(tài)。未來，結(jié)合光子學(xué)與電子學(xué)的最新進展，有望進一步提升傳感器的集成度和可穿戴性，推動更加便捷、智能的健康監(jiān)測設(shè)備的開發(fā)。
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