多功能可穿戴电子设备满足了复杂情况下对人体医学和健康监测的需求,然而,核技术的进步,特别是辐照医学和安全检查,增加了辐照安全工作者的暴露风险。由于传统的辐照探测器通常具有坚硬易碎的质地,缺乏贴合皮肤的柔软性和韧性。因此,迫切需要具有辐射预警和健康监测功能的柔软的可穿戴设备,以满足生命健康产业不断扩大和增长的需求。
近期,吉林大学魏浩桐课题组通过将无铅Cs3Cu2I5:Zn纳米晶体(NCs)掺入预图案化的生物相容性离子凝胶聚(偏二氟乙烯−共−六氟丙烯)(P(VDF−HFP))和1−乙基−3−甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺([EMIM][TFSI])中,设计了一种复合凝胶作为探测器,可以同时实现压力传感和X射线成像/预警功能。该可穿戴设备在低压范围(0−3 kPa)内具有34 kPa−1的出色压力灵敏度,LoD低至1.4 Pa。值得注意的是,该柔性探测器还显示了48964 Photons MeV−1的高光产量(LY),并在设计的辐照警告期间表现出心跳监测能力,这是一个很好的例子,也是对多功能和可穿戴设备的补充。
所设计的复合薄膜由离子凝胶骨架(图1a)和Cs3Cu2I5:Zn NCs组成。将合成的由油酸(OA)和油胺(OAM)长链配体封端的Cs3Cu2I5:Zn NCs加入离子凝胶中,形成均匀的复合薄膜。离子凝胶骨架包裹闪烁体纳米晶,为器件稳定性奠定了基础。为了最大限度地提高Cs3Cu2I5:Zn NCs/离子凝胶复合薄膜的压力响应,我们将复合薄膜沉积在3D打印的锥形模板上,其中圆锥形结构的设计保证了器件对微小形变的响应,固化后,自支撑复合膜可以剥离与氧化铟锡(ITO)/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)电极夹在一起。
图1. (a) 离子凝胶的结构式包括离子液体([EMIM][TFSI])和聚合物(P(VDF-HFP))。(b) 双功能探测器的制备过程。
得益于高灵敏度、低LoD和良好的稳定性,可穿戴设备可以感知微妙的人体运动/振动。该器件连接到手指和肘关节,从相对电容变化可以清楚分辨出手指和肘关节依次弯曲角度。这种现象是由于施加了不同的外力,导致顶部ITO电极和锥形膜之间的接触面积发生变化,从而导致电容信号发生显著变化。此外,设备的较低压力检测能力使其适用于较小的生理压力变化,如心率。
图2. (a) 使用该设备监测30°(左)和60°(右)不同手指弯曲度下的电容变化。(b) 使用该设备监测肘关节屈曲30°(左)和60°(右)不同角度时的电容变化。(c) 通过将设备固定在手腕(顶部)和手背(底部),将运动前后脉搏跳动的信号与噪声波动进行比较。
此外,除了能够进行运动传感外,高的光产额允许复合薄膜在X射线下发射明亮的荧光,成像的空间分辨率达到8.0 lp mm−1,圆珠笔内部弹簧和螺钉细螺纹在X射线下清晰可见。此外,通过调节闪烁体纳米晶含量得到的不同复合薄膜可用于辐射剂量的监测,还可估计辐照安全工作者可以在辐照环境中停留的最长时间,满足了辐射安全工作者不断扩大和增长的健康需求。
图3. (a) 分别在日光和X射线照射下圆珠笔内部弹簧和螺钉细螺纹的照片。(b) X射线照射下的线对卡照片(左)和详细信息(右)。(c) 计算探测器的MTF以获得空间分辨率。(d) 随着X射线剂量率的增加,用探测器准备的辐照警告标志逐渐亮起(管电压:50 kV,剂量率:54,228,1167 μGyair s-1)。
传统的 X 射线成像和辐照警告通常用于静物成像。相比之下,移动物体在成像过程中容易出现偏移、重影和错位。然而,兼具X射线响应和运动/振动监测功能的双功能探测器的出现,使我们能够精确捕捉X射线作用下运动物体的实时运动信号。
图4. (a) 16×16像素的柔性器件和“J”、“L”和“U”形模板(夹层结构:由两层面蚀刻柔性ITO和喷涂凸锥形Cs3Cu2I5:Zn NCs/离子凝胶复合膜组成)的照片。(b) 通过应用“J”、“L”和“U”模板来识别阵列器件上的压力分布。(c) 使用阵列器件拍摄“J”、“L”和“U”模板的 X 射线图像。
总之,通过将Cs3Cu2I5:Zn NCs结合到预图案化的离子凝胶阵列中,开发了一种智能探测器,可以同时实现压力传感和X射线成像/警告功能。该设备在低压范围(0–3 kPa)内实现了高达34 kPa−1的灵敏度,低至1.4 Pa的LoD,实现了脉搏监测、手指弯曲和肘部弯曲的健康监测功能。同时,该探测器还可以检测54−1167 μGyair s−1的宽辐照剂量范围作为X射线指示剂,并在50天内表现出令人惊讶的抗辐照性,为其长期运行奠定了基础。可穿戴探测器的设计为制造多功能传感提供了一种经济的方法,并拓宽了开发新一代辐射预警可穿戴服装的思路。
文章信息
Wearable electronic device for X-ray warning and health monitoring
Haijing Hu, Wanting Pan, Yuhong He, Chenglong Li, Wei Qu, Yifan Yang, Haotong Wei*
Journal of Energy Chemistry
DOI: 10.1016/j.jechem.2024.07.052
作者信息
魏浩桐
吉林大学化学学院超分子国家重点实验室教授,博士生导师,海外高层次青年人才,长白山特聘领军人才,小米青年学者。主要从事高性能光电材料开发,智能光电探测及低剂量X射线CT成像。以第一作者和通讯作者在Nat. Mater.(1篇), Nat. Photon.(2篇), Nat. Commun.(4篇), Sci. Adv.(1篇), Angew. Chem. Int. Ed.(1篇), Adv. Mater.(8篇)等国际知名学术期刊发表SCI论文40余篇。论文总被引用16000余次,H-因子40,在2022、2023年入选为科睿唯安高被引学者。主持国家自然科学基金委青年科学基金项目、面上项目等。担任《Molecules》杂志编委、《SmartMat》杂志青年编委。其开发的首例高性能钙钛矿单晶X射线探测器、直接型钙钛矿CT成像仪,剂量较医用闪烁体低30~120倍,有潜力在医学X射线成像,海关、机场安全检查等领域开展广泛应用。
联系方式: Email:hweichem@jlu.edu.cn
课题组主页:https://www.x-mol.com/groups/haotongwei
胡海静
吉林大学化学学院2022级硕博连读生,近期,研究成果以第一作者发表在J. Energy Chem.国际学术期刊。
扫码关注我们