涂有纳米颗粒的石墨烯已被用于制造可穿戴的光传感器，该传感器可测量穿过组织的环境光中的人体脉搏和血氧水平，从而为健康监护提供了一个潜在的平台。
Deji Akinwande和
德米特里·基列耶夫（Dmitry Kireev）
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可穿戴技术的普及已经大大增加，到2022年，美国市场预计将达到数百亿美元（请参阅go.nature.com/33tcein）。然而，最常见的可佩戴装置的有效性是由它们的组分的物理规格受阻：尽管该设备经常嵌入柔性软外壳，主要部件，例如传感器和电子，仍然刚性1，2。现在，写在《科学进展》，Polat 等人。3 告了基于石墨烯的一类真正灵活，透明的可穿戴设备，该石墨烯覆盖有一层被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。
仅一个或几个原子厚的材料被认为是二维的。最著名的例子是石墨烯，它由排列成六边形晶格的单片碳原子组成。一般来说，二维材料（尤其是石墨烯）在开发下一代可穿戴的软生物传感器方面具有巨大的潜力，因为它们将导电性，光学透明性和机械柔韧性与出色的生物相容性4和对生物电解质的稳定性结合在一起。基于石墨烯的纹身样设备5以前已用于记录人类健康信号，例如心律，皮肤水合作用和体温。它们出色的性能与石墨烯的亚纳米厚度有关，这使石墨烯可以随皮肤弯曲和拉伸，而不会影响传感器性能。
灵活的自供电生物传感器
研究人员观察到，其设备的响应度（每个光输入的电输出）非常大。高响应性归因于以下事实：石墨烯层中的空穴被量子点回收，有效地增加了器件中每个吸收的光子产生的电荷载流子的数量-据说器件表现出光电导增益。
先前 道的光传感器通常不具有光电导增益，因此需要放大器设备来增强电信号。这既增加了功耗，又增加了整个装置6的尺寸。此外，放大器必须紧邻传感器，这会限制可穿戴设备吸收皮肤轮廓的能力。Polat及其同事的设备固有的光电导增益消除了对放大器的需求，从而解决了上述问题，并使传感器特别适合于现实生活中的应用。
将光电子集成到纤维中可增强纺织品
那么传感器如何用于测量生命体征？某些波长的光很容易穿过人体皮肤和邻近组织，但被血液7强烈吸收-更具体地说，它被血红蛋白吸收，血红蛋白是在红细胞中运输氧气的分子。通过连续监测穿过组织的光强度，传感器可以产生称为光电容积描记图（PPG）的读数，其中包含有关血管体积变化的信息，该信息可能与心率有关8。Polat及其同事表明，他们的可穿戴设备可以显着地利用穿过组织的环境光准确地测量人的心率。此外，设备的灵敏度使研究人员可以通过数学分析PPG数据来估计呼吸速率。与呼吸有关的身体运动通常会在刚性可穿戴设备9检测到的PPG信号中产生伪影和噪声，但是新设备的物理不干扰和灵活性克服了这一问题。
图1 使用光检测生命体征的传感器。 一，波拉特等。图3已经使用涂覆有半导体纳米颗粒（未示出）的石墨烯来制造可检测穿过组织透射的光的柔性，透明装置。环境光很容易穿过人的皮肤和组织，但被红细胞中的血红蛋白吸收。通过监视环境光穿过组织时的调制，传感器可以监视血流量和心率。呼吸速率也可以根据血流数据的数学分析来估算。b此外，富氧红细胞对红光和近红外光的吸收与贫氧细胞的吸收显着不同。通过监视红色和近红外光的吸收，传感器可以监视血液中的氧气含量。
告的传感器均设计为与可穿戴设备所需的任何其他电子设备进行无线通信，从而将软传感器与任何刚性组件清楚地分开。但是无线设计要求读出设备（例如移动电话）靠近传感器，这使得很难进行长期监测，例如心率监测可能需要。在可穿戴式柔性传感器和常规电子设备之间建立长期，持续的通信对于将来的应用至关重要。或者，可以在灵活平台中包括启用内存存储和简单数字处理的组件。将来可以使用石墨烯11以外的2D材料来实现这一点。
现在，石墨烯已经在可穿戴和移动式健康设备12的各种原型中用作传感器和信号换能器。然而，更重要的是，石墨烯为将其他2D材料用于传感器和移动健康监测设备铺平了道路。已经发现了成千上万的这种材料，但还具有未知的性质13。我们认为，对这些材料进行全面研究对于开发将来可以被人类佩戴甚至集成到人体中的生物传感器至关重要。
doi：10.1038 / d41586-019-03483-7
参考文献
- 1。Huang，Z。等。 自然电子。 1，473-480（2018）。文章谷歌学术
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