可穿戴PPG傳感器中先進材料的制備、性能及應用綜述

光電容積脈搏波描記法（PPG）技術可以利用低成本的可穿戴傳感器測量多種生理和心理參數，同時其也正在重塑現代醫療保健。先進材料在提高PPG傳感器的可靠性和精度方面發揮著至關重要的作用。近年來，各種先進材料被用于優化PPG傳感器的設計，但在大規模驗證和量產方面仍然存在一些挑戰。

據麥姆斯咨詢報道，近日，由英國考文垂大學（Coventry University）和新加坡科學技術研究局（A*STAR）組成的科研團隊在Advanced Electronic Materials期刊上發表了以“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的Jinu Mathew，通訊作者為考文垂大學的Haipeng Liu和A*STAR的Jianwei Xu。

該文章重點介紹了PPG傳感器的光電探測器、光源和電路中所用的先進材料。這些材料主要分為四大類：無機材料、有機材料、納米材料和混合材料。其次，該文章總結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、測量位置、測試和驗證在內的其它技術細節。最后，該文章還強調了現有技術的優點和局限性，并為基于先進材料的PPG傳感器的未來發展提供了相關建議。

典型的PPG傳感器主要由光源、圖案化感光層（光電探測器）的襯底和印刷電路板組成。如圖1a所示，PPG傳感器主要測量與流經血管的血容量變化相對應的透射或反射的光強度。根據工作模式（透射或反射）和測量深度的不同，可選擇不同波長的光源（如圖1b）。落于光電探測器上的透射光或反射光會被轉換為電能，并通過電路放大從而產生波形（如圖1c）。該綜述文章所使用的文獻檢索策略如圖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硬件及信號處理

圖2 文獻檢索與分類策略

PPG傳感器材料的選擇取決于其生物力學和光學性能。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。大多數常規PPG傳感器由無機材料制成，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材料。為了克服無機材料的局限性，科研人員也探索了有機半導體材料和聚合物。與無機材料相比，PPG傳感器中使用有機材料具有更強的生物相容性和經濟性，只需較薄的襯底并且具有出色的皮膚適應性。

此外，包括硫化鉛（PbS）量子點（QD）、石墨烯和ZnO納米顆粒（NP）等納米材料已被用于改善PPG光電探測器的光學和電學特性，如增強特定波長的光吸收，降低PPG信號中的噪聲，使傳感器微型化，以及提高對生理參數變化的響應時間等。最后，為了結合不同材料的優異性能，科研人員還開發了混合材料并將其應用于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、發光有源層和電極構成。電路和連接線用于連接傳感器的不同部件，處理信號并實現輸出。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傳感器的平穩運行也起著至關重要的作用。光刻、旋涂、激光印刷、化學蝕刻、熱蒸發和化學氣相沉積（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傳感器監測的兩個主要生理參數。除這些參數外，最新的PPG傳感器還通過采用新的設計和提升技術細節（例如光源、工作模式和測量位置等）來測量更多的生理參數，如呼吸速率、心理壓力、紫外線暴露、動脈硬度和皮膚顏色檢測等。PPG傳感器的工作模式取決于光源的波長，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總結了所研究的PPG傳感器的測量位置。

圖5 各類PPG傳感器涉及的光源波長

圖6 各類PPG傳感器使用的測量位置

綜上所述，與無機材料相比，有機材料、納米材料和混合材料可以增強器件的柔韌性和拉伸性。由Si和GaAs等無機材料組成的PPG傳感器設計簡單，可以使傳感器實現超薄和微型化。這也促進了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。但這種基于無機材料的PPG傳感器對運動偽影更為靈敏。目前，利用納米材料和混合材料來制造PPG傳感器的研究相對較少。對于許多不同類型的先進材料來說，復雜的制造工藝和高昂的成本是量產的常見限制。

在過去的十年中，可穿戴PPG傳感器的發展一直在加速，其應用已擴展到各種臨床和醫療保健場景中。有機材料、無機材料、納米材料、混合材料等先進材料已被用于PPG傳感器的不同部件，尤其是光電探測器，以提高PPG傳感器的光電性能和生物力學性能。使用先進材料增強的PPG傳感器可以檢測到許多生理參數和條件，但大量傳感器還需要進一步大規模驗證。在未來的研究中，科研人員可以探索面向現實世界醫療保健應用的更先進的材料。

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

審核編輯：劉清