超彈性的生物傳感器：貼在皮膚上的心臟監(jiān)測器

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作者：悠然來源：生物探索

2018-10-08

柔性的電子設(shè)備可直接貼附于人體皮膚，用于監(jiān)測心跳、血壓。但是在實際應(yīng)用中，龐大的外部電池會因為體積過大、供電不足或者噪聲干擾等因素會阻止設(shè)備的長期運行。近日，日本一研究團(tuán)隊成功地突破這一瓶頸，研發(fā)出一款超彈性的生物傳感器，由超薄的太陽能電池供電。在動物試驗中，這一創(chuàng)新設(shè)備可以應(yīng)用于自供電的心臟監(jiān)測器。

9月26日，《Nature》期刊發(fā)表了這一篇題為“Self-powered ultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics”的文章，來自日本RIKEN研究所、東京大學(xué)的研究團(tuán)隊研發(fā)了一種超彈性的生物傳感器，由超薄款的太陽能電池供電，從而精確、持續(xù)地監(jiān)測心跳等生物信號。

Takao Someya教授帶領(lǐng)團(tuán)隊將“電力裝置”——有機(jī)光伏電池（OPV Cells）和“傳感裝置”——有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECTs）結(jié)合，并置于超薄的聚合物涂層上形成一個傳感器平臺。它有兩個優(yōu)勢：

首先，有機(jī)光伏電池能夠?qū)?0.5%的光能轉(zhuǎn)化成電能——這是超彈性設(shè)備中所報告的能量轉(zhuǎn)換效率的數(shù)值。為了克服效率低的問題，研究人員在OPV電池的光吸收器表面采用了納米光柵（nano-grating）材質(zhì)，從而實現(xiàn)了高效的光電轉(zhuǎn)換效率（high photo-conversion efficiency，PCE）。

其次，柔性電池的能量轉(zhuǎn)換效率不受光線照射角度的影響——納米粒子可以減少入射光的反射，從而使其效率不受光照角度影響。這意味著，這一平臺可以不受運動的影響，是可穿戴生物傳感器的理想特性。

作為一種靈敏且靈活的生物傳感器，納米OPV電池驅(qū)動OECTs。當(dāng)這一傳感器貼附于手指上，并將凝膠電極連接到人的胸部時，每一次心跳都會在電極和傳感器之間產(chǎn)生電壓差，并由OECTs監(jiān)測到。研究團(tuán)隊在小鼠身上進(jìn)行了驗證工作，證實這一平臺可以清晰的記錄心率信號，且靈敏度是傳統(tǒng)傳感器的3倍，因為不受外部電源信號波動的干擾。

支持這一裝置良好運動的照明水平為10000勒克斯，相當(dāng)于陽光燦爛的日子里一個人在樹蔭下接收到的光線。這一研究對于研發(fā)放置于人體組織上的自供電醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備有著很大的推進(jìn)作用。下一步，研究團(tuán)隊將試圖開發(fā)靈活的電力存儲設(shè)備。

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