Nature评述：可穿戴身体健康传感器

可穿戴技术的普及程度大幅提升，预计到2022年，美国市场规模将达到数百亿美元(见go.nature.com/33tcein)。然而，最常见的可穿戴设备的有效性受到其组件的物理规格的阻碍:尽管该设备通常嵌入一个灵活的软壳，但其主要部件，如传感器和电子设备，仍然是刚性的。

近日，Nature发表评述文章，讨论了Polat等人在Science Advances杂志上报道的一种真正灵活、透明的可穿戴设备，这种设备基于石墨烯，上面覆盖着一层称为量子点的半导体纳米颗粒。令人印象深刻的是，这些设备仅使用环境光作为信号来测量各种生命体征。

只有一个或几个原子厚的材料被称为二维材料。最著名的例子是石墨烯，它由单层碳原子排列成六边形晶格。一般来说，二维材料，尤其是石墨烯，具有开发下一代可穿戴软生物传感器的巨大潜力，因为它们结合了导电性、光学透明性和机械灵活性，并具有出色的生物相容性和对生物电解质的稳定性。基于石墨烯的类似纹身的设备曾被用于记录人类健康信号，如心律、皮肤水合和体温。其卓越的性能与石墨烯的亚纳米厚度有关，该厚度允许石墨烯随皮肤弯曲和拉伸，而不影响传感器的性能。

Polat等人现在通过将半导体铅(ii)硫化物(PbS)制成的光敏量子点沉积在石墨烯层上，扩展了石墨烯在可穿戴设备中的功能。当量子点被照亮时，它们会产生成对的带电粒子:带负电荷的电子和带正电荷的空穴(与原子晶格中缺少电子有关的准粒子)。电子被困在量子点中，但空穴被转移到石墨烯层，增加其导电性，产生可测量的电信号。作者利用这种特性从量子点涂层石墨烯中构建了光传感器。

图1. 一个自供电的柔性生物传感器。

研究人员观察到他们的设备的响应率(每光输入的电输出)非常大。高响应率是由于石墨烯层中的空穴被量子点循环利用，有效地增加了器件中每吸收一个光子所产生的载流子的数量。

先前报道的光传感器通常不具有光导增益，因此需要一个放大装置来放大电信号；这增加了功耗和整个设备的大小。此外，放大器必须靠近传感器，这将限制可穿戴设备获取皮肤轮廓的能力。Polat及其同事设备的固有光导增益消除了放大器的需求，解决了上述问题，使传感器特别适合于实际应用。

那么这些传感器是如何用来测量生命体征的呢?某些波长的光很容易穿过人类皮肤和邻近组织，但会被血液强烈吸收。更具体地说，它会被血红蛋白吸收，血红蛋白是红细胞中运输氧气的分子。通过持续监测通过组织的光线强度，传感器可以产生被称为“光体积描记图”(PPGs)的读数，其中包含血管体积变化的信息，这些信息可以与心率相关。Polat和他的同事发现，他们的可穿戴设备可以利用周围的光线来精确测量人体的心率。此外，这些设备的灵敏度允许研究人员通过对PPG数据的数学分析来估计呼吸频率。与呼吸相关的物理运动通常会在刚性可穿戴设备检测到的PPG信号中产生人工制品和噪声，但新设备的物理不透明性和灵活性克服了这一问题。

图2. 含有集成到针织物中的发光二极管的光学纤维。

Polat等人报告说，他们的可穿戴设备还可以监视另一个重要的健康信号通常是由医生检查：动脉氧饱和度(SpO₂)，这是血液中血红蛋白的比例加载与氧气(图1)。SpO₂水平低会导致意识丧失,精神功能障碍、呼吸和心脏骤停。富氧红细胞对红光和近红外光的吸收与无氧红细胞的吸收有显著差异。因此，作者通过测量这两个波长的光吸收来估计SpO₂水平。

图3. 利用光线探测生命体征的传感器。

最后，Polat和同事报告了他们技术的进一步应用：紫外线监测。某些紫外线波长对皮肤有害，甚至可能导致癌症，因此测量环境中的紫外线水平是很有必要的。研究人员表示，他们的设备可以与之前制造的芯片集成，使传感器能够将紫外线测量数据无线传输到手机上，从而实现对环境紫外线指数的连续、方便的监测。

报告中提到的传感器都是为了与可穿戴设备所需的任何其他电子设备进行无线通信而设计的，这将软传感器与任何刚性元件明显地区分开来。但是无线设计需要一个读出设备(如手机)靠近传感器，这使得长期监测变得困难，例如心率监测可能需要长期监测。在可穿戴柔性传感器和传统电子设备之间建立长期、持续的通信将是未来应用的关键。或者，可以在灵活的平台中包含支持内存存储和简单数字处理的组件。这可以在未来使用石墨烯以外的2D材料实现。

石墨烯现在已被用作传感器和信号传感器，用于各种可穿戴和移动医疗设备的原型中。更重要的是，石墨烯为其他二维材料用于传感器和移动健康监测设备铺平了道路。人们已经发现了成千上万种这样的材料，它们的特性至今仍不为人所知。我们认为，对这些材料的全面研究对于开发未来的生物传感器是至关重要的，这些传感器可以被人类穿戴，甚至集成到人类体内。

参考文献

1、Polat, Emre O., etal. "Flexible graphene photodetectors for wearable fitnessmonitoring." Science advances 5.9 (2019): eaaw7846.

DOI: 10.1126/sciadv.aaw7846

https://advances.sciencemag.org/content/5/9/eaaw7846?intcmp=trendmd-adv

2、Akinwande D, KireevD. Wearable graphene sensors use ambient light to monitor health. 2019.

https://www_nature.xilesou.top/articles/d41586-019-03483-7