可穿戴PPG传感器中先进材料的制备、性能及应用综述

光电容积脉搏波描记法（PPG）技术可以利用低成本的可穿戴传感器测量多种生理和心理参数，同时其也正在重塑现代医疗保健。先进材料在提高PPG传感器的可靠性和精度方面发挥着至关重要的作用。近年来，各种先进材料被用于优化PPG传感器的设计，但在大规模验证和量产方面仍然存在一些挑战。

据麦姆斯咨询报道，近日，由英国考文垂大学（Coventry University）和新加坡科学技术研究局（A*STAR）组成的科研团队在Advanced Electronic Materials期刊上发表了以“Systematic Review on Fabrication, Properties, and Applications of Advanced Materials in Wearable Photoplethysmography Sensors”为主题的综述文章。该文章的第一作者为考文垂大学的Jinu Mathew，通讯作者为考文垂大学的Haipeng Liu和A*STAR的Jianwei Xu。

该文章重点介绍了PPG传感器的光电探测器、光源和电路中所用的先进材料。这些材料主要分为四大类：无机材料、有机材料、纳米材料和混合材料。其次，该文章总结了这些材料的性能和制造工艺。接着，该文章讨论了包括工作方式、测量位置、测试和验证在内的其它技术细节。最后，该文章还强调了现有技术的优点和局限性，并为基于先进材料的PPG传感器的未来发展提供了相关建议。

典型的PPG传感器主要由光源、图案化感光层（光电探测器）的衬底和印刷电路板组成。如图1a所示，PPG传感器主要测量与流经血管的血容量变化相对应的透射或反射的光强度。根据工作模式（透射或反射）和测量深度的不同，可选择不同波长的光源（如图1b）。落于光电探测器上的透射光或反射光会被转换为电能，并通过电路放大从而产生波形（如图1c）。该综述文章所使用的文献检索策略如图2所示。

图1 a）PPG传感器的工作模式；b）PPG中使用的不同光源；c）PPG硬件及信号处理

图2 文献检索与分类策略

PPG传感器材料的选择取决于其生物力学和光学性能。图3a和图3b展示了该文章涉及PPG传感器的主要部件在制造中使用的各种材料。大多数常规PPG传感器由无机材料制成，例如硅（Si）、砷化镓（GaAs），氧化锌（ZnO）和锗（Ge），其中Si凭借其广泛可用、成本低、无毒、具有高电子迁移率以及间接带隙等特性成为最常见的无机材料。为了克服无机材料的局限性，科研人员也探索了有机半导体材料和聚合物。与无机材料相比，PPG传感器中使用有机材料具有更强的生物相容性和经济性，只需较薄的衬底并且具有出色的皮肤适应性。

此外，包括硫化铅（PbS）量子点（QD）、石墨烯和ZnO纳米颗粒（NP）等纳米材料已被用于改善PPG光电探测器的光学和电学特性，如增强特定波长的光吸收，降低PPG信号中的噪声，使传感器微型化，以及提高对生理参数变化的响应时间等。最后，为了结合不同材料的优异性能，科研人员还开发了混合材料并将其应用于PPG传感器中。

图3 a）用于制造PPG传感器不同部件的材料；b）PPG传感器所用材料的分类

光电探测器的主要组成部分包括衬底、电极、有源层和封装层。同样，LED由衬底、发光有源层和电极构成。电路和连接线用于连接传感器的不同部件，处理信号并实现输出。除了所使用的材料外，PPG传感器的各部件采用的制造和组装工艺对传感器的平稳运行也起着至关重要的作用。光刻、旋涂、激光印刷、化学蚀刻、热蒸发和化学气相沉积（CVD）是不同PPG传感器中常用的几种制造工艺。图4展示了这些制造工艺的示例。

图4 制造PPG传感器的不同工艺

心率和血氧饱和度是PPG传感器监测的两个主要生理参数。除这些参数外，最新的PPG传感器还通过采用新的设计和提升技术细节（例如光源、工作模式和测量位置等）来测量更多的生理参数，如呼吸速率、心理压力、紫外线暴露、动脉硬度和皮肤颜色检测等。PPG传感器的工作模式取决于光源的波长，而非制造材料。该文章所涉及的PPG传感器中使用的光源如图5所示。图6总结了所研究的PPG传感器的测量位置。

图5 各类PPG传感器涉及的光源波长

图6 各类PPG传感器使用的测量位置

综上所述，与无机材料相比，有机材料、纳米材料和混合材料可以增强器件的柔韧性和拉伸性。由Si和GaAs等无机材料组成的PPG传感器设计简单，可以使传感器实现超薄和微型化。这也促进了PPG传感器与其它模块的集成，从而增添如无电池工作等更多功能特性。但这种基于无机材料的PPG传感器对运动伪影更为灵敏。目前，利用纳米材料和混合材料来制造PPG传感器的研究相对较少。对于许多不同类型的先进材料来说，复杂的制造工艺和高昂的成本是量产的常见限制。

在过去的十年中，可穿戴PPG传感器的发展一直在加速，其应用已扩展到各种临床和医疗保健场景中。有机材料、无机材料、纳米材料、混合材料等先进材料已被用于PPG传感器的不同部件，尤其是光电探测器，以提高PPG传感器的光电性能和生物力学性能。使用先进材料增强的PPG传感器可以检测到许多生理参数和条件，但大量传感器还需要进一步大规模验证。在未来的研究中，科研人员可以探索面向现实世界医疗保健应用的更先进的材料。