可穿戴PPG傳感器中先進(jìn)材料的制備、性能及應(yīng)用綜述

光電容積脈搏波描記法（PPG）技術(shù)可以利用低成本的可穿戴傳感器測(cè)量多種生理和心理參數(shù)，同時(shí)其也正在重塑現(xiàn)代醫(yī)療保健。先進(jìn)材料在提高PPG傳感器的可靠性和精度方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。近年來，各種先進(jìn)材料被用于優(yōu)化PPG傳感器的設(shè)計(jì)，但在大規(guī)模驗(yàn)證和量產(chǎn)方面仍然存在一些挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由英國(guó)考文垂大學(xué)（Coventry University）和新加坡科學(xué)技術(shù)研究局（A*STAR）組成的科研團(tuán)隊(duì)在Advanced Electronic Materials期刊上發(fā)表了以“Systematic Review on Fabrication, Properties, and Applications of Advanced Materials in Wearable Photoplethysmography Sensors”為主題的綜述文章。該文章的第一作者為考文垂大學(xué)的Jinu Mathew，通訊作者為考文垂大學(xué)的Haipeng Liu和A*STAR的Jianwei Xu。

該文章重點(diǎn)介紹了PPG傳感器的光電探測(cè)器、光源和電路中所用的先進(jìn)材料。這些材料主要分為四大類：無機(jī)材料、有機(jī)材料、納米材料和混合材料。其次，該文章總結(jié)了這些材料的性能和制造工藝。接著，該文章討論了包括工作方式、測(cè)量位置、測(cè)試和驗(yàn)證在內(nèi)的其它技術(shù)細(xì)節(jié)。最后，該文章還強(qiáng)調(diào)了現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限性，并為基于先進(jìn)材料的PPG傳感器的未來發(fā)展提供了相關(guān)建議。

典型的PPG傳感器主要由光源、圖案化感光層（光電探測(cè)器）的襯底和印刷電路板組成。如圖1a所示，PPG傳感器主要測(cè)量與流經(jīng)血管的血容量變化相對(duì)應(yīng)的透射或反射的光強(qiáng)度。根據(jù)工作模式（透射或反射）和測(cè)量深度的不同，可選擇不同波長(zhǎng)的光源（如圖1b）。落于光電探測(cè)器上的透射光或反射光會(huì)被轉(zhuǎn)換為電能，并通過電路放大從而產(chǎn)生波形（如圖1c）。該綜述文章所使用的文獻(xiàn)檢索策略如圖2所示。

圖1 a）PPG傳感器的工作模式；b）PPG中使用的不同光源；c）PPG硬件及信號(hào)處理

圖2 文獻(xiàn)檢索與分類策略

PPG傳感器材料的選擇取決于其生物力學(xué)和光學(xué)性能。圖3a和圖3b展示了該文章涉及PPG傳感器的主要部件在制造中使用的各種材料。大多數(shù)常規(guī)PPG傳感器由無機(jī)材料制成，例如硅（Si）、砷化鎵（GaAs），氧化鋅（ZnO）和鍺（Ge），其中Si憑借其廣泛可用、成本低、無毒、具有高電子遷移率以及間接帶隙等特性成為最常見的無機(jī)材料。為了克服無機(jī)材料的局限性，科研人員也探索了有機(jī)半導(dǎo)體材料和聚合物。與無機(jī)材料相比，PPG傳感器中使用有機(jī)材料具有更強(qiáng)的生物相容性和經(jīng)濟(jì)性，只需較薄的襯底并且具有出色的皮膚適應(yīng)性。

此外，包括硫化鉛（PbS）量子點(diǎn)（QD）、石墨烯和ZnO納米顆粒（NP）等納米材料已被用于改善PPG光電探測(cè)器的光學(xué)和電學(xué)特性，如增強(qiáng)特定波長(zhǎng)的光吸收，降低PPG信號(hào)中的噪聲，使傳感器微型化，以及提高對(duì)生理參數(shù)變化的響應(yīng)時(shí)間等。最后，為了結(jié)合不同材料的優(yōu)異性能，科研人員還開發(fā)了混合材料并將其應(yīng)用于PPG傳感器中。

圖3 a）用于制造PPG傳感器不同部件的材料；b）PPG傳感器所用材料的分類

光電探測(cè)器的主要組成部分包括襯底、電極、有源層和封裝層。同樣，LED由襯底、發(fā)光有源層和電極構(gòu)成。電路和連接線用于連接傳感器的不同部件，處理信號(hào)并實(shí)現(xiàn)輸出。除了所使用的材料外，PPG傳感器的各部件采用的制造和組裝工藝對(duì)傳感器的平穩(wěn)運(yùn)行也起著至關(guān)重要的作用。光刻、旋涂、激光印刷、化學(xué)蝕刻、熱蒸發(fā)和化學(xué)氣相沉積（CVD）是不同PPG傳感器中常用的幾種制造工藝。圖4展示了這些制造工藝的示例。

圖4 制造PPG傳感器的不同工藝

心率和血氧飽和度是PPG傳感器監(jiān)測(cè)的兩個(gè)主要生理參數(shù)。除這些參數(shù)外，最新的PPG傳感器還通過采用新的設(shè)計(jì)和提升技術(shù)細(xì)節(jié)（例如光源、工作模式和測(cè)量位置等）來測(cè)量更多的生理參數(shù)，如呼吸速率、心理壓力、紫外線暴露、動(dòng)脈硬度和皮膚顏色檢測(cè)等。PPG傳感器的工作模式取決于光源的波長(zhǎng)，而非制造材料。該文章所涉及的PPG傳感器中使用的光源如圖5所示。圖6總結(jié)了所研究的PPG傳感器的測(cè)量位置。

圖5 各類PPG傳感器涉及的光源波長(zhǎng)

圖6 各類PPG傳感器使用的測(cè)量位置

綜上所述，與無機(jī)材料相比，有機(jī)材料、納米材料和混合材料可以增強(qiáng)器件的柔韌性和拉伸性。由Si和GaAs等無機(jī)材料組成的PPG傳感器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可以使傳感器實(shí)現(xiàn)超薄和微型化。這也促進(jìn)了PPG傳感器與其它模塊的集成，從而增添如無電池工作等更多功能特性。但這種基于無機(jī)材料的PPG傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)偽影更為靈敏。目前，利用納米材料和混合材料來制造PPG傳感器的研究相對(duì)較少。對(duì)于許多不同類型的先進(jìn)材料來說，復(fù)雜的制造工藝和高昂的成本是量產(chǎn)的常見限制。

在過去的十年中，可穿戴PPG傳感器的發(fā)展一直在加速，其應(yīng)用已擴(kuò)展到各種臨床和醫(yī)療保健場(chǎng)景中。有機(jī)材料、無機(jī)材料、納米材料、混合材料等先進(jìn)材料已被用于PPG傳感器的不同部件，尤其是光電探測(cè)器，以提高PPG傳感器的光電性能和生物力學(xué)性能。使用先進(jìn)材料增強(qiáng)的PPG傳感器可以檢測(cè)到許多生理參數(shù)和條件，但大量傳感器還需要進(jìn)一步大規(guī)模驗(yàn)證。在未來的研究中，科研人員可以探索面向現(xiàn)實(shí)世界醫(yī)療保健應(yīng)用的更先進(jìn)的材料。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/aelm.202300765

審核編輯：劉清