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01
内容概览
现有技术缺点
传统无线通信电路的局限性：基于无机集成芯片的无线通信系统因厚重和刚性而难以适应灵活的穿戴环境。 信号质量差：被动电极在测量生物信号时容易受到噪声和伪影的影响，导致信号质量不佳。
无线通信开发挑战：超薄电子设备的无线通信系统仍面临许多技术挑战。
文章亮点
超薄设备设计：开发了一种整体厚度仅为4μm的有机-无机集成设备，用于无线光学监测生物标志物。
高跨导的OECT：通过有机电化学晶体管（OECT）实现生物信号的有效放大，展现出15 mS的高跨导，改善了信噪比。
集成NIR μLED：与近红外微型发光二极管（μLED）集成，实现了基于光亮度变化的生物监测，便于无线信号传输。
应用场景
可穿戴传感器：可用于持续健康监测，如监测汗液中的葡萄糖和乳酸。
植入式设备：在医疗监测中提供便捷的生物信号监测。
无线生物传感网络：为未来的智能健康设备提供无线数据传输解决方案。
总结
本文提出的无线光学监测系统，通过集成OECT生化传感器和NIR μLED，提供了一种高效、轻便的生物信号放大和无线传输方案。该系统不仅解决了传统技术在灵活性和信号质量方面的不足，还具备低功耗和良好的机械稳定性。未来，这种超薄设备在各种可穿戴和植入式应用中具有广阔的市场潜力，能够推动健康监测技术的进一步发展。
文章名称：An ultrathin organic–inorganic integrated device for optical biomarker monitoring
期刊：Nature Electronics
文章DOI：https://doi.org/10.1038/s41928-024-01237-6
通讯作者：Wonryung Lee,Jae-Hoon Han ,Hojeong Jeon
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图文简介
无线光学生物标志物监测系统
图1 无线光学生物标志物监测系统。a, 传统无线通信系统的示意图，使用集成电路芯片。PCB，印刷电路板。b, 无线光通信系统的示意图。c, 无线光监测系统的电路图。d, μLED的光学显微镜图像。比例尺，200 μm。e, OECT的光学显微镜图像。比例尺，500 μm。f, 集成设备的操作。μLED的辐照度根据生物标志物浓度变化。D，漏极；G，栅极；S，源极。
OECT生化传感器
OECT由金（Au）源极、漏极和栅极电极组成。采用PEDOT:PSS作为通道材料。OECT的通道宽度和长度分别为100 μm和10 μm，栅极电极的面积为0.25 mm^2。栅极电极上涂覆有 PEDOT:PSS，然后电沉积铂纳米粒子作为酶生化传感器。铂纳米粒子对酶反应产物过氧化氢 (H2O2) 具有出色的电催化活性，可提高葡萄糖和乳酸监测的灵敏度。最后，通过滴铸酶层对栅极电极进行功能化。
μLED的制造与器件集成
图2 OECT与μLED集成设备的电学和光学表征。a，电学和光学表征装置的示意图。b，电学和光学表征装置的照片。比例尺，3 mm。c，OECT在与μLED集成前的ID–VD特性。d，OECT在与μLED集成后的ID–VD特性。e，集成设备的ID–VG特性及相应的跨导。f，集成生化传感器的实时响应。g，集成生化传感器在不同生物标志物浓度下的电致发光光谱。h，μLED的辐照度作为生物标志物浓度的函数及相应的归一化响应，NR = ΔIrradiance/Irradiance0。Irradiance0表示在零生物标志物浓度或pH值为7.4时的辐照度。
机械表征
机械稳定性是可穿戴医疗设备的关键因素，因为它们在体内容易变形。通过将设备层压到预拉伸的弹性胶带上并随后释放以压缩设备（图3）。当预拉伸的弹性胶带被释放时，层压设备中形成了微尺度的皱纹，导致机械变形。将超薄设备以未变形状态附着于皮肤时，可能会发生压缩应变，因此必须在这种应变下保证机械稳定性，以确保测量的可靠性
图3 OECT和μLED集成设备的机械稳定性。 a，压缩测试的示意图。制造的设备被层压在预拉伸的弹性体胶带上，并通过放松弹性体胶带进行压缩。b，集成设备在压缩下的ID–VG特性。c，集成设备在压缩下的电流–电压特性。d，集成设备在压缩下的归一化响应（ΔID/ID0）。ID0代表在零葡萄糖浓度下的ID。插图显示了用于获得压缩测试中归一化响应的数据。e，集成设备在循环压缩下的归一化响应（ΔID/ID0）。插图显示了设备的未压缩状态（左）和压缩状态（右）。
光学生物标志物监测
图 4 无线光学监测系统的生物标志物分析。 a，放置在人工手臂上的无线光学生物标志物监测系统的近红外（NIR）图像。比例尺，1 cm。b,c，低（b）和高生物标志物浓度（c）下操作的有机电化学晶体管（OECT）和微型发光二极管（μLED）集成设备的放大近红外图像。比例尺，500 μm。d，不同生物标志物浓度下近红外图像的灰度值。e，近红外图像的归一化响应（Δ平均灰度值/零生物标志物浓度下的平均灰度值（值0））与生物标志物浓度的关系。f，低和高生物标志物浓度下平均灰度值和全宽半最大（FWHM）的比较。e和f中的数值表示均值 ± 标准差（n = 3）。Avg，平均值。
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文献来源
Kim, K.Y., Kang, J., Song, S. et al. An ultrathin organic–inorganic integrated device for optical biomarker monitoring. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01237-6
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