Adv. Mater. | 可拉伸多模态光子皮肤传感器

文摘 2025-01-08 17:01 上海

FUTURE | 远见

FUTURE | 远见闵青云选编

近日，北京航空航天大学徐立军教授、郭晶晶副教授团队在Advanced Materials上发表了题为「Stretchable Multimodal Photonic Sensor for Wearable Multiparameter Health Monitoring」的研究论文。该研究提出了一种新型的可拉伸多模态光子传感器，能够在单个光子器件上同时实现对机械、热和化学参数的多模态感知。传感器集成了类皮肤的可拉伸、防水、透气、自粘附等优异属性，能够与皮肤舒适贴合，实现对心率、呼吸、体温及汗液pH等多项生理参数的实时监测，为可穿戴多参数健康监测提供了全新的解决方案。

导读

皮肤是人体最大的器官，不仅充当抵御外界环境的屏障，也是获取生理信息的重要窗口，蕴含来自真皮、表皮、血管及内脏器官的关键信息。可穿戴传感器通过与皮肤的直接接触，实现对这些生理信号的非侵入性、连续监测，为疾病的预防、早期诊断和治疗提供了新的可能。为了提高佩戴舒适性和测量精准性，穿戴式传感器应具备优异的柔韧性、可拉伸性和生物相容性，确保能够贴合柔软、曲线的皮肤表面，并在长期使用中稳定工作。此外，多生理参数的同步监测对于全面评估个体健康状态具有不可或缺的意义，它能综合反映各项生理指标的变化，为精准健康管理和个性化医疗决策提供数据基础。然而，如何在单一传感器上实现多参数同步监测，同时兼顾高柔韧性、可拉伸性和生物相容性，仍是该领域面临的重大挑战。

多模态光子传感器的设计

该传感器采用具有水凝胶包层的聚二甲基硅氧烷光纤（HPOF）作为敏感元件，并将其封装在两层弹性聚氨酯之间，底层为皮肤粘附基底，最外层为防水保护层。皮肤粘附层设计有狭缝结构，使HPOF能够直接接触皮肤并采集汗液样本。通过在HPOF上集成多种对不同波长响应的传感机制，实现对不同模态刺激的识别与感知。为简化解调结构，该团队创新性利用光子上转换和辐射能量转移，产生光谱分辨的多波段发射，使得传感器能够通过单一激光二极管进行探测。HPOF的纤芯由含有NaYF4:Yb,Er上转换纳米颗粒（UCNPs）的PDMS复合材料制成，包层则采用透明、低折射率的聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶材料。UCNPs中的Er³⁺离子具有一对热耦合能级，利用这对能级产生的发射谱带的温度依赖性，可实现对温度的灵敏检测。PAM包层不仅赋予光纤阶跃折射率的导光特性，还引入了丰富的氨基官能团。该团队进一步利用NHS酯基团与氨基的共价结合，将pH敏感荧光染料（pHrodo Red）共价固定于PAM聚合物链上，从而实现对pH的响应。pHrodo Red的吸收光谱与UCNPs的发射带重叠，从而促进辐射能量转移（RET）的发生。此外，该染料分子还赋予了HPOF波长依赖的吸收特性，基于光在特定波长的吸收变化，可以定量检测光纤所受的机械形变。

图1 | 可拉伸多模态光子传感器设计、制备和功能。

多模态传感机理及其性能研究

温度是反映人体代谢活动和评估身体异常的关键参数之一。该研究利用UCNPs中Er³⁺离子具有玻尔兹曼分布的两个热耦合能级对温度的敏感特性，开展了温度传感性能的深入研究。结果表明，传感器在25至45°C温度范围内具有良好的响应特性，符合玻尔兹曼分布，温度灵敏度为0.8% °C⁻¹，检测限约为0.19°C。随后，研究了传感器在瞬态温度变化下的响应速度，结果显示，传感器的响应时间和恢复时间分别为3秒和4秒，能够满足动态温度变化的精确测量需求。为了评估传感器的可重复性，进行了加热和冷却的连续热循环测试。传感器在温度周期变化下展现出可逆且可重复的信号输出，证明了传感器的可重复性与稳定性。进一步的验证实验表明，传感器在检测动态热信号方面表现出色，传感器的温度读数与红外相机获得的信号高度一致，根均方误差（RMSE）为0.46°C，展现了其在实时温度测量中的高可靠性和准确性。

图2 | 温度敏感机理及传感特性。

皮肤pH值是反映皮肤健康的重要生理指标之一，能够提供关于皮肤状况及身体健康的重要信息。例如，健康个体的汗液pH值通常在4.5至6.5之间，而囊性纤维化患者的汗液则常呈碱性，pH值可超过8。为实现pH检测，该团队采用pHrodo Red-NHS作为pH敏感指示剂，并通过共价键合将其结合到HPOF的PAM包层中。水凝胶的多孔孔隙结构有助于汗液中氢离子与HPOF之间进行快速交换。氢离子向水凝胶包层的扩散促进了罗丹明色基团的质子化，从而导致pHrodo Red在酸性pH下荧光显著增强。研究结果表明，该传感器在pH值5.0-7.5范围内呈现线性响应，灵敏度为27% pH⁻¹，检测限为0.09 pH。在多次重复测试中，传感器表现出优异的可逆性和可再现性，输出信号的迟滞响应小于5%。此外，传感器采用选择性质子化机制，使其对氢离子的选择性显著高于汗液中的其他主要干扰离子，如K⁺和Na⁺。传感器的响应时间约为34秒，并在动态pH监测中表现出优异的可靠性。

图3 | pH敏感机理及传感特性。

皮肤表面应变的精确检测在健康监测、运动训练和人机交互等领域具有重要的应用价值。在穿戴式健康监测应用中，应变传感器的灵敏度和可拉伸性是决定其性能的关键因素。一方面，传感器需具备足够的灵敏度，以精确监测由脉搏、心跳等生命体征引起的微小皮肤变形（通常小于1%）。另一方面，传感器还必须具备优异的延展性，以确保与皮肤弹性良好匹配，能够适应皮肤的动态变形。该研究基于染料分子对特定波长的吸收机理，展示了可拉伸传感器的高灵敏应变响应特性。研究结果表明，该传感器能够灵敏地检测到低于1%的微小应变，且具有优异的线性响应，检测限低至0.07%。传感器的应变响应和恢复时间分别为23 ms和25 ms，能够有效捕捉几乎所有与皮肤应变相关的生理信号（通常为<10 Hz）。此外，传感器在不同应变循环加载和卸载过程中表现出高度可重复的响应，且未观察到明显的滞后或漂移，验证了其应变检测的可靠性和稳定性。

图4 | 应变敏感机理及传感特性。

人体多生理参数监测应用

该传感器具备优异的可拉伸性、生物相容性和多模态感知能力，能够与皮肤适形贴合，实现多种生理参数的实时、长期监测。作为应用验证，传感器被佩戴在健康志愿者的手腕或胸部，成功实现了对动脉脉搏、心跳、呼吸等微小应变信号的实时监测，并能同时准确测量皮肤温度及汗液pH值。这也是目前首次基于单一传感器实现心肺活动、体温和汗液生物标志物同步监测的报道。进一步的对比实验表明，传感器的测量结果与商业传感器具有较高一致性，相对误差小于2%，验证了其监测精度与可靠性。此外，传感器还能够在志愿者进行静坐、走路、哑铃训练等日常活动和运动时，实时监测多项健康指标，证明其在动态环境下有效跟踪生理变化的潜力。

图5 | 对人体健康进行实时多参数监测。

结论与展望

该研究为柔性光子器件在可穿戴健康监测中的应用提供了新的思路与可能性。区别于以往报道的多传感器融合设计，该团队利用光信号的多维度信息，在单一光子传感器上实现了机械、热、化学刺激的独立感知，且无需复杂的传感器集成或信号解耦算法，简化了系统设计并提升了感知性能。凭借其多模态感知能力，优异的柔韧性、可拉伸性和生物相容性，该传感器能够舒适的皮肤持续地监测由动脉脉搏、心肺活动等引起的机械刺信号，以及皮肤温度和汗液pH值，从而更为全面的揭示人体的健康状态。未来，结合光子学与电子学的最新进展，有望进一步提升传感器的集成度和可穿戴性，推动更加便捷、智能的健康监测设备的开发。

论文信息：

Guo J, Tuo J, Sun J, et al. Stretchable Multimodal Photonic Sensor for Wearable Multiparameter Health Monitoring[J]. Advanced Materials,2024: 2412322.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202412322

--中国光学

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