柔性电子设备是未来个性化健康管理新范式的重要组成部分，其具有与皮肤贴合、低运动伪影、长时间佩戴舒适等独特优势。然而，在超柔性传感器中的多通道集成面临着许多挑战，主要是缺乏高性能和稳定的传感组件，以及允许皮肤无约束活动和呼吸的理想器件设计。
以光电容积脉搏波描记法（PPG）为代表的脉搏与血氧监测技术已普及，因近红外光具有出色的皮肤穿透能力，可通过光电探测器提取皮下血流搏动与血红蛋白含氧量信息，但设计适用于近红外波段的有机光电材料及其柔性传感器件仍具挑战。将基于光电容积变化的PPG信号与基于生物电的心电图（ECG）信号结合，可以增加脉搏信息提取的准确性和可靠性，通过后处理还可获得血压等健康指标。尽管已有柔性ECG电极和PPG传感器相关工作，但构建可靠的可皮肤集成PPG-ECG一体化系统面临巨大挑战，包括传感器间的稳固耦合、各器件的高性能和长期稳定性、与皮肤集成的舒适性等。
针对上述问题，清华大学深圳国际研究生院徐晓敏、成会明团队开发了在近红外光下表现出卓越性能的超柔性有机光电探测器（如图1）。该超柔性探测器厚度小于4 µm，在近红外区940 nm波长下的光电响应度为0.53 A W-1，探测率为3.4×1013 Jones，-3 dB下截止频率超过1 MHz，在有机近红外光电探测器领域达到领先水平，且具有良好的稳定性。基于团队前期工作提出的可剥离超薄水凝胶（Adv. Mater. 2023, 35, 2206793）与超柔性PEDOT:PSS基导电聚合物纹身电极（Cell Rep. Phys. Sci. 2023, 4, 101335），团队成员进一步将超柔性光电探测器与导电聚合物电极通过超薄水凝胶集成在一起构成PPG-ECG集成贴片传感器，整个贴片厚度小于20 µm，其弯曲半径能与皮肤沟壑相匹配，实现与皮肤保形接触，并进一步构建了皮肤集成的多模传感系统，实现了光电和心电信号的精准同步监测，即使在动态工作条件下也能精确、稳定地测量各种生命体征，包括心率、呼吸率、血氧饱和度和无袖带血压。
图1. 皮肤集成式PPG-ECG贴片传感器设计
有机半导体聚合物PTB7-Th与非富勒烯小分子受体COTIC-4F的特征光吸收覆盖了血氧饱和度检测窗口（660和940 nm），通过富勒烯分子PCBM改性以及超薄超柔性器件结构设计使光电探测器表现出优异的性能（如图2）。
图2.超柔性高性能有机光电探测器
所构建的超柔性PPG传感器在红光和近红外光下具有高响应度和探测率以及低响应时间，在相同功耗下具有比硅基器件更可靠的PPG信号检测能力，实现动态与缺氧条件下的血氧饱和度精确测量（如图3）。
图3.皮肤集成的超柔性PPG传感器
将PPG传感器与ECG电极相结合，可皮肤集成的超柔性多模贴片传感器与皮肤保形接触，可同时精确提取光电和生物电位信号，实现心率、呼吸率、无袖带血压测量（图4）。
图4. 皮肤集成的PPG-ECG多模传感系统
相关成果近日以 “近红外有机光电探测器用于皮肤集成式光电容积-心电多模态传感系统”（Near-Infrared Organic Photodetectors toward Skin-Integrated Photoplethysmography-Electrocardiography Multimodal Sensing System）为题发表在学术期刊《先进科学》（Advanced Science）上。本文第一作者为清华大学深圳国际研究生院博士后楼子瑞和2021级硕士生陶钧。清华大学深圳国际研究生院徐晓敏副教授、中国科学院深圳先进技术研究院成会明院士为该论文通讯作者；论文作者还包括德国慕尼黑工业大学彼得·穆勒-布施鲍姆（Peter Müller-Buschbaum）教授、姜鑫宇博士，浙江大学朱丽萍教授、覃超博士、梁容博士，清华大学深圳国际研究生院博士后魏斌斌、2021级博士生程思敏、2022级博士生王泽昊、2023级博士生郭昊天。该研究项目得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市优秀青年基金、深圳市高等院校稳定支持计划重点项目以及清华大学深圳国际研究生院海外科研合作基金和启动基金等项目的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202304174
文/图：楼子瑞、陶钧
编辑：戴雨静
审核：陈超群
