近日，來(lái)自暨南大學(xué)和東莞理工學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)取得重要突破，成功研發(fā)出一種柔性光電混合微光纖長(zhǎng)周期光柵多模態(tài)傳感器，相關(guān)成果“Flexible Optoelectronic Hybrid Microfiber Long-period Grating Multimodal Sensor”發(fā)表于國(guó)際知名期刊《Advanced Science》。該研究的通信作者為暨南大學(xué)的Li-Peng Sun、Jie Li、Yi Zhang以及 Bai-Ou Guan。文章介紹了一種新型的柔性光電混合微光纖長(zhǎng)周期光柵多模態(tài)傳感器，該傳感器集成了光學(xué)和電學(xué)兩種傳感機(jī)制，可同時(shí)監(jiān)測(cè)生物力學(xué)信息和葡萄糖，為可穿戴傳感器的設(shè)計(jì)提供了新的思路，在糖尿病管理等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

圖1. LIG-mLPG柔性光電混合多模態(tài)傳感器示意圖。插圖：功能化LIG-mLPG用于監(jiān)測(cè)動(dòng)物和人體模型中汗液葡萄糖和物理量的示意圖。

1.研究背景：全球范圍內(nèi)，高血糖已成為威脅人類生命健康的重要因素，它是導(dǎo)致死亡和殘疾的高危因素之一。隨著全球糖尿病患者數(shù)量呈上升趨勢(shì)，深入探究人體健康狀況，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)葡萄糖代謝紊亂并診斷糖尿病，已成為關(guān)乎人類健康的緊迫任務(wù)。糖尿病患者因胰島素失衡導(dǎo)致血糖濃度異常，這會(huì)引發(fā)一系列嚴(yán)重并發(fā)癥，如足部感染，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致截肢，還會(huì)對(duì)眼睛、腎臟、血管、心臟等重要器官造成損害。傳統(tǒng)的葡萄糖測(cè)量方法主要依賴侵入性的針刺采血檢測(cè)，這種方法不僅在檢測(cè)和評(píng)估之間存在時(shí)間延遲，給患者帶來(lái)心理負(fù)擔(dān)，而且難以在生理狀況突然變化時(shí)快速監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)血糖水平。可穿戴生物傳感器的出現(xiàn)，為糖尿病的持續(xù)無(wú)創(chuàng)管理帶來(lái)了新的希望。這類傳感器利用間質(zhì)液、汗液、唾液和眼淚等替代體液進(jìn)行葡萄糖監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)人體汗液、脈搏、運(yùn)動(dòng)行為等生化或物理變化進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)樣本分析，能夠高效、便捷地監(jiān)測(cè)慢性疾病，有助于評(píng)估佩戴者日常活動(dòng)中的病理生理異常情況。近年來(lái)，可穿戴生物傳感器平臺(tái)不斷發(fā)展，功能逐漸向測(cè)量多種生化和物理健康參數(shù)轉(zhuǎn)變，以避免單一參數(shù)分析可能導(dǎo)致的誤診。然而，目前大多數(shù)生物標(biāo)志物檢測(cè)研究存在問(wèn)題，要么基于冗余的傳感陣列，不利于傳感器的集成和小型化；要么基于單一組分的多模態(tài)傳感器，由于單一機(jī)制下的信號(hào)相關(guān)性，往往需要復(fù)雜的算法進(jìn)行解耦，以確保每個(gè)檢測(cè)量都能輸出可靠的數(shù)據(jù)。此外，在日常活動(dòng)中同時(shí)監(jiān)測(cè)心率、血壓等重要生物力學(xué)參數(shù)以及傷口愈合狀態(tài)，能夠全面評(píng)估人體健康狀況，為醫(yī)療決策提供有力支持。這促使了具有不同自解耦機(jī)制的混合多模態(tài)生物傳感器的發(fā)展，以優(yōu)化對(duì)生化和物理參數(shù)的同時(shí)感知能力，有效減少信號(hào)干擾。但將多種傳感模式集成到一個(gè)可穿戴平臺(tái)，在傳感器集成以及不同制造技術(shù)的兼容性方面面臨挑戰(zhàn)，尤其是在處理復(fù)雜融合和跨模態(tài)精度的多元輸出數(shù)據(jù)時(shí)，增加了電子設(shè)備小型化的復(fù)雜性。因此，開(kāi)發(fā)能夠構(gòu)建高度集成的異構(gòu)生物傳感設(shè)備的新方法，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的生化和物理監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。

圖2. a) 基于激光誘導(dǎo)石墨烯調(diào)制的微光纖長(zhǎng)周期光柵（mLPG）概念圖；b) 頂部：LIG-mLPG的軸向結(jié)構(gòu)圖；底部：LIG-mLPG的橫截面圖；c) 當(dāng)光以諧振（相位匹配，左圖）和非諧振（非匹配，右圖）波長(zhǎng)入射時(shí)，通過(guò)光柵區(qū)域傳播的光的模擬振幅分布的俯視圖；d) 當(dāng)光以諧振（相位匹配，左圖）和非諧振（非匹配，右圖）波長(zhǎng)入射時(shí)，通過(guò)光柵區(qū)域傳播的光的模擬振幅分布的側(cè)視圖；e) 在LIG-mLPG調(diào)制過(guò)程中，透射光譜隨調(diào)制周期數(shù)的變化；f) 光柵周期與諧振波長(zhǎng)之間的關(guān)系；g) LIG-mLPG的實(shí)物圖。

2.LIG-mLPG的設(shè)計(jì)與制備：通過(guò)火焰刷技術(shù)拉制微光纖，將其封裝在PDMS中，再利用激光誘導(dǎo)PDMS形成LIG，LIG的圖案化結(jié)構(gòu)對(duì)微光纖的消逝場(chǎng)進(jìn)行周期性調(diào)制，從而制備出LIG-mLPG。這種方法避免了激光或電弧脈沖對(duì)微光纖的損傷，且LIG的調(diào)制效果受激光功率和掃描速度影響。

3.LIG-mLPG的表征：利用SEM、XPS、Raman光譜和FTIR光譜等對(duì)LIG進(jìn)行表征，結(jié)果表明激光照射使PDMS的化學(xué)鍵斷裂重組形成石墨烯。Raman光譜顯示，激光功率影響石墨烯的質(zhì)量，適當(dāng)?shù)募す夤β屎蛼呙杷俣扔兄谥苽涓哔|(zhì)量的石墨烯。

圖3. a) 激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）的俯視圖掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；b) LIG的橫截面SEM圖像；c) LIG橫截面的放大SEM圖像；d) 聚二甲基硅氧烷（PDMS，紅色曲線）和LIG（藍(lán)色曲線）的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）；e) 不同調(diào)制功率下LIG的拉曼光譜；f) 拉曼光譜中(I_D/I_G)（黑色）和(I_{2D}/I_G)（藍(lán)色）隨激光調(diào)制功率的變化情況；g) LIG的碳（C 1s）X射線光電子能譜（XPS）；h) LIG的氧（O 1s）XPS；i) LIG的硅（Si 2p）XPS。

4.傳感器性能

壓力傳感性能：LIG-mLPG通過(guò)光學(xué)信號(hào)實(shí)現(xiàn)生物力學(xué)傳感，對(duì)壓力敏感，靈敏度為(2.06nm/kPa)，檢測(cè)限為(0.008kPa)，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別約為(2.8ms)和(15.5ms)，穩(wěn)定性良好。其對(duì)折射率的響應(yīng)可通過(guò)界面修飾調(diào)節(jié)，未修飾時(shí)對(duì)生物標(biāo)志物不敏感，適合作為生物力學(xué)敏感元件。

石墨烯電極的電學(xué)響應(yīng)：LIG叉指電極通過(guò)電學(xué)信號(hào)實(shí)現(xiàn)生化傳感，結(jié)合GB水凝膠可構(gòu)建應(yīng)變不敏感的葡萄糖傳感器。GB水凝膠具有良好的導(dǎo)電性、生物相容性、粘彈性和自愈合性。該傳感器對(duì)葡萄糖檢測(cè)具有特異性，檢測(cè)限為(0.0246mM) ，且光柵光學(xué)信號(hào)對(duì)葡萄糖變化不敏感。

圖4. a) 施加2 mN應(yīng)力階躍時(shí)，測(cè)量得到的微光纖長(zhǎng)周期光柵（mLPG）的凹陷波長(zhǎng)位移；b) 不同壓力水平下單個(gè)凹陷的透射光譜記錄；c) LIG - mLPG在不同壓力水平下波長(zhǎng)位移的重復(fù)性；d) 測(cè)量得到的凹陷波長(zhǎng)位移隨施加壓力的變化；e) LIG - mLPG在1 kPa壓力下的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間；f) LIG - mLPG在一個(gè)月內(nèi)的穩(wěn)定性；g) 親水處理前和h) 親水處理后，不同折射率下單個(gè)凹陷的透射光譜記錄；i) 親水處理前后，測(cè)量得到的凹陷波長(zhǎng)位移隨折射率的變化。

5.LIG-mLPG傳感器在糖尿病傷口愈合檢測(cè)中的應(yīng)用：將LIG-mLPG傳感器貼在糖尿病大鼠傷口處，可監(jiān)測(cè)傷口硬度和葡萄糖水平變化。傷口硬度隨時(shí)間增加，傳感器光學(xué)信號(hào)變化與之相符；注射胰島素后，傷口滲出液中葡萄糖濃度下降，傳感器電學(xué)信號(hào)變化與血糖儀測(cè)量結(jié)果一致，同時(shí)還能捕獲呼吸信號(hào)。

6.人體健康實(shí)時(shí)多參數(shù)監(jiān)測(cè)：將LIG-mLPG傳感器貼在人體不同部位，可分別監(jiān)測(cè)脈搏和汗液葡萄糖信號(hào)，且兩種信號(hào)相互獨(dú)立。對(duì)不同志愿者的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明，傳感器能有效監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中脈搏波和汗液葡萄糖水平的變化，為糖尿病患者的日常監(jiān)測(cè)提供了重要依據(jù)。

圖5. a) 在20 kPa壓力范圍內(nèi)，LIG電極（正負(fù)電極相連）的電流-電壓（I-V）特性；b) 在20 kPa壓力范圍內(nèi)，GB水凝膠/LIG（叉指電極結(jié)構(gòu)）的I-V特性；c) LIG正負(fù)連接模式與GB水凝膠/LIG在不同壓力下電阻變化的對(duì)比；d) GB水凝膠在不同剪切應(yīng)變下儲(chǔ)能模量G′和損耗模量G″的變化；e) GB水凝膠在不同頻率下儲(chǔ)能模量G′和損耗模量G″的變化；f) 在大應(yīng)變（50%）和小應(yīng)變（0.5%）之間交替切換剪切應(yīng)變進(jìn)行的流變恢復(fù)測(cè)試；g) 摻雜葡萄糖氧化酶（GOx）的GB水凝膠在不同葡萄糖濃度（0 - 25 mM）下的電阻變化；h) 電阻隨不同葡萄糖濃度的變化；i) 對(duì)葡萄糖的特異性。

圖7. a) 運(yùn)動(dòng)時(shí)在胸部進(jìn)行監(jiān)測(cè)（無(wú)變形，僅有汗液）；b) 靜止時(shí)在手腕處進(jìn)行監(jiān)測(cè)（無(wú)汗液，脈搏引起變形）；c) 運(yùn)動(dòng)時(shí)手腕處脈搏波的變化；d) 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中汗液中葡萄糖濃度的變化（藍(lán)色）以及使用商用血糖儀測(cè)量的血糖變化（紅色）；e) 脈搏率隨時(shí)間的變化。

7. 研究結(jié)論：成功制備了一種可同時(shí)監(jiān)測(cè)生物力學(xué)和葡萄糖的光電混合多模態(tài)可穿戴光纖傳感器。該傳感器集成度高、響應(yīng)快、靈敏度高且穩(wěn)定性好。未來(lái)可通過(guò)集成光學(xué)和電學(xué)信號(hào)讀出系統(tǒng)、優(yōu)化LIG電學(xué)性能和開(kāi)發(fā)更好的水凝膠等方式進(jìn)一步改進(jìn)。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等多個(gè)項(xiàng)目的支持。科研團(tuán)隊(duì)表示，未來(lái)將進(jìn)一步優(yōu)化傳感器，通過(guò)集成光學(xué)和電學(xué)信號(hào)讀出系統(tǒng)、優(yōu)化 LIG 的電學(xué)性能、開(kāi)發(fā)更好的水凝膠等，提升傳感器的性能，為糖尿病管理和可穿戴醫(yī)療設(shè)備發(fā)展提供新的解決方案。

原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/advs.202501352

審核編輯 黃宇