可穿戴技術的普及程度大幅提升，預計到2022年，美國市場規模將達到數百億美元(見go.nature.com/33tcein)。然而，最常見的可穿戴設備的有效性受到其組件的物理規格的阻礙:盡管該設備通常嵌入一個靈活的軟殼，但其主要部件，如傳感器和電子設備，仍然是剛性的。
近日，Nature發表評述文章，討論了Polat等人在Science Advances雜志上報道的一種真正靈活、透明的可穿戴設備，這種設備基于石墨烯，上面覆蓋著一層稱為量子點的半導體納米顆粒。令人印象深刻的是，這些設備僅使用環境光作為信號來測量各種生命體征。
只有一個或幾個原子厚的材料被稱為二維材料。最著名的例子是石墨烯，它由單層碳原子排列成六邊形晶格。一般來說，二維材料，尤其是石墨烯，具有開發下一代可穿戴軟生物傳感器的巨大潛力，因為它們結合了導電性、光學透明性和機械靈活性，并具有出色的生物相容性和對生物電解質的穩定性。基于石墨烯的類似紋身的設備曾被用于記錄人類健康信號，如心律、皮膚水合和體溫。其卓越的性能與石墨烯的亞納米厚度有關，該厚度允許石墨烯隨皮膚彎曲和拉伸，而不影響傳感器的性能。
Polat等人現在通過將半導體鉛(ii)硫化物(PbS)制成的光敏量子點沉積在石墨烯層上，擴展了石墨烯在可穿戴設備中的功能。當量子點被照亮時，它們會產生成對的帶電粒子:帶負電荷的電子和帶正電荷的空穴(與原子晶格中缺少電子有關的準粒子)。電子被困在量子點中，但空穴被轉移到石墨烯層，增加其導電性，產生可測量的電信號。作者利用這種特性從量子點涂層石墨烯中構建了光傳感器。
圖1. 一個自供電的柔性生物傳感器
研究人員觀察到他們的設備的響應率(每光輸入的電輸出)非常大。高響應率是由于石墨烯層中的空穴被量子點循環利用，有效地增加了器件中每吸收一個光子所產生的載流子的數量。
先前報道的光傳感器通常不具有光導增益，因此需要一個放大裝置來放大電信號；這增加了功耗和整個設備的大小。此外，放大器必須靠近傳感器，這將限制可穿戴設備獲取皮膚輪廓的能力。Polat及其同事設備的固有光導增益消除了放大器的需求，解決了上述問題，使傳感器特別適合于實際應用。
那么這些傳感器是如何用來測量生命體征的呢?某些波長的光很容易穿過人類皮膚和鄰近組織，但會被血液強烈吸收。更具體地說，它會被血紅蛋白吸收，血紅蛋白是紅細胞中運輸氧氣的分子。通過持續監測通過組織的光線強度，傳感器可以產生被稱為“光體積描記圖”(PPGs)的讀數，其中包含血管體積變化的信息，這些信息可以與心率相關。Polat和他的同事發現，他們的可穿戴設備可以利用周圍的光線來精確測量人體的心率。此外，這些設備的靈敏度允許研究人員通過對PPG數據的數學分析來估計呼吸頻率。與呼吸相關的物理運動通常會在剛性可穿戴設備檢測到的PPG信號中產生人工制品和噪聲，但新設備的物理不透明性和靈活性克服了這一問題。
圖2. 含有集成到針織物中的發光二極管的光學纖維
Polat等人報告說，他們的可穿戴設備還可以監視另一個重要的健康信號通常是由醫生檢查：動脈氧飽和度(SpO2)，這是血液中血紅蛋白的比例加載與氧氣(圖1)。SpO2水平低會導致意識喪失,精神功能障礙、呼吸和心臟驟停。富氧紅細胞對紅光和近紅外光的吸收與無氧紅細胞的吸收有顯著差異。因此，作者通過測量這兩個波長的光吸收來估計SpO2水平。
圖3. 利用光線探測生命體征的傳感器
最后，Polat和同事報告了他們技術的進一步應用：紫外線監測。某些紫外線波長對皮膚有害，甚至可能導致癌癥，因此測量環境中的紫外線水平是很有必要的。研究人員表示，他們的設備可以與之前制造的芯片集成，使傳感器能夠將紫外線測量數據無線傳輸到手機上，從而實現對環境紫外線指數的連續、方便的監測。
報告中提到的傳感器都是為了與可穿戴設備所需的任何其他電子設備進行無線通信而設計的，這將軟傳感器與任何剛性元件明顯地區分開來。但是無線設計需要一個讀出設備(如手機)靠近傳感器，這使得長期監測變得困難，例如心率監測可能需要長期監測。在可穿戴柔性傳感器和傳統電子設備之間建立長期、持續的通信將是未來應用的關鍵。或者，可以在靈活的平臺中包含支持內存存儲和簡單數字處理的組件。這可以在未來使用石墨烯以外的2D材料實現。
石墨烯現在已被用作傳感器和信號傳感器，用于各種可穿戴和移動醫療設備的原型中。更重要的是，石墨烯為其他二維材料用于傳感器和移動健康監測設備鋪平了道路。人們已經發現了成千上萬種這樣的材料，它們的特性至今仍不為人所知。我們認為，對這些材料的全面研究對于開發未來的生物傳感器是至關重要的，這些傳感器可以被人類穿戴，甚至集成到人類體內。
參考文獻
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
