天博app下载科学通报“无处不在的健康监测”：柔性可穿戴光响应放大电路

2023-11-21 10:23:39

　　TB天博实时的生命体征监测对于疾病早期预防的实现至关重要。不同于医院监测设备体积大、穿戴困难、携带难、无法长时间监测等局限，可穿戴式生命体征监测设备已成为健康监测的潮流，为身体健康保驾护航。光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography，PPG）借助光电探测器反映组织中血液容积变化，是一种常用的无创健康监测技术，被广泛应用于可穿戴监测设备中。通过光电探测器将入射光通过血管后光强的微小变化转变为电信号，获得心脏收缩和舒张产生的脉搏波。在临床实践中，PPG技术被广泛应用于各种生理指标的监测，如心率、心脏周期、血氧饱和度（SpO2）和血压等，在心血管疾病的早期诊断与筛查，呼吸和神经系统 疾病的评估中发挥着重要作用[1,2]。由于受皮肤色素、肌肉、骨骼和血液吸收衰减作用的影响，光电探测器检测到的因血液容积变化而产生的光强变化信号非常微弱，因此应用于PPG技术的光电探测器必须具备优异的灵敏度和信噪比。目前，在智能手表和手环等商用可穿戴产品中普遍采用高灵敏的硅（Si）或锗（Ge）光电探测器作为PPG传感器元件，因为它们在严格的功耗限制下可以产生足够高的信噪比，保障了对微弱光信号的准确记录。然而，在人类日常活动和运动中，由于这类无机设备固有的刚性特性，使设备无法与紧密接触，检测过程容易受到外界环境光的干扰，造成心率数据的误差，难以保障可穿戴设备实时生理信息监测的准确性。

　　有机光电探测器因其本征柔性的优点，日常活动和运动中能够随形贴附于皮肤上形成紧密的界面接触，是一种很有前途的可穿戴式PPG传感技术，有望彻底变革医疗保健电子产品[3,4]。在各种类型的有机光电探测器中，光电导型器件具有最简单的结构。这一优势有助于进一步提高有机器件的机械柔韧性，使其在日常活动中能与皮肤和关节保持紧密贴合天博app下载，可以有效避免外界环境光侵入对测试的干扰。此外，平面型光电导有机器件的制造与高通量、低成本的溶液加工工艺更加兼容，譬如全溶液印刷技术，可以大幅降低健康监测设备的制造成本，从而开启一个无处不在的医疗电子产品的新时代。尽管有机光电导型探测器有望成为出色的日常健康监测平台，但与结构复杂的多层有机光电二极管相比，有机光电导器件由于光活性层内缺乏内建电场，无法为激子解离提供必要的能量，导致在微弱光辐射下器件的光响应信噪比较低。由于有机光电导器件性能的限制，其难以捕捉血管收缩对光吸收的微弱动态变化，因此基于有机光电导器件的PPG传感器得到的动脉波形通常会失去大量的特征点，无法通过探测收缩压和舒张压峰值的时间变化来确定心率和血压以及估计动脉僵硬度。为了解决器件性能、结构复杂度和制造成本之间存在的不平衡问题，亟需一种简单而通用的方法来增强有机光导器件的光响应性能，从而实现更加广泛及有效的健康监测应用。

　　近日，苏州大学张晓宏教授和张秀娟教授、邓巍副教授[5]合作提出了一种通用的大幅提升有机光电导器件性能的新策略，通过将有机场效应晶体管（OFET）与有机光电探测器单片集成构成光响应放大电路，使得信噪比能够指数级地提高4个数量级以上，实现了对心率、血氧饱和度和血压的准确监测（图1(a)）。他们首先详细阐述了OFET内缺陷捕获态与电路放大效率之间的密切联系，并通过理论分析发现提高OFET的信号放大效率对最大限度地提升光响应信噪比至关重要。为此，采用在电极上直接生长有机单晶薄膜的方法，在金属电极和C8-BTBT单晶薄膜之间创建了范德华相互作用的无缺陷接触界面，在OFET中实现了接近热电子传输理论极限37.1 S A−1的超高信号放大效率。进一步，将高信号放大效率的OFET与有机光电探测器、电阻单片集成（图1(b)），展示了全溶液加工的光响应放大电路，实现了10 μW cm−2弱光下的超高光响应信噪比（图1(c)），性能可与商业PPG传感器相媲美。该光响应放大电路表现出作为PPG传感器的巨大潜力，能够可靠地输出具有清晰收缩和舒张峰的PPG波形（图1(d)），从而实现对心率、血压、血氧饱和度等多种生命体征信息的准确提取。更重要的是，该全有机光响应放大电路具有优异的机械柔韧性，可以承受日常生活和运动中各种极端应变状态，满足全天候健康监测的需求。总之，该工作针对有机光电导器件光探测性能较弱的问题，创新性地提出一种通用的将有机单晶OFET与有机光电探测器单片集成的思路，实现了光响应信噪比的大幅提升，有望进一步促进可穿戴式医疗电子设备的普及化应用进程。

　　图1 有机光电探测器的结构及性能[5].（a）手指上集成光响应电路实时健康监测的照片和原理图;（b）由有机光电导、电阻和有机场效应晶体管组成的集成光响应放大电路示意图;（c）集成光响应电路信噪比与已报道的有机光电探测器和硅光电二极管的比较;（d）通过集成光响应电路测得的脉搏波信号