柔性物理或化學(xué)傳感器10大最新研究成果

　　7. Sci. Adv.：類皮膚柔性電子器件實(shí)現(xiàn)醫(yī)療級(jí)無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)

　　糖尿病已經(jīng)成為威脅現(xiàn)代人健康和生命的重大慢性疾病。2015年全球共有超過4億糖尿病患者，中國(guó)糖尿病患者人數(shù)超1億，位居全球首位。通過“扎手指”取血測(cè)量血糖的方法具有一定的疼痛感，影響糖尿病病人的生活質(zhì)量和自我監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期依從性。目前的無(wú)創(chuàng)連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)方法無(wú)法直接測(cè)量血液中葡萄糖，在準(zhǔn)確性、便利性以及完全無(wú)創(chuàng)性等關(guān)鍵問題上仍未突破。近日，來(lái)自清華大學(xué)的馮雪教授(通訊作者)等人在Sci. Adv.上發(fā)表了一篇關(guān)于無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)的文章。該工作利用類皮膚柔性傳感技術(shù)建立了新的無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量醫(yī)學(xué)方法，為解決無(wú)創(chuàng)血糖動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)提供了一條新途徑，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)學(xué)意義上在人體皮膚表面的無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量，并具有醫(yī)療級(jí)精度。相關(guān)內(nèi)容被《科學(xué)進(jìn)展》媒體團(tuán)隊(duì)(Science Advances Press Package Team)推薦給《紐約時(shí)報(bào)》《華爾街日?qǐng)?bào)》《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》等國(guó)際知名媒體。12月21日，國(guó)際電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)的旗艦出版物《科技縱覽》(IEEE Spectrum)對(duì)該論文率先進(jìn)行了專題報(bào)道，來(lái)自普渡大學(xué)和青少年糖尿病研究基金會(huì) (JDRF)的研究人員給予高度評(píng)價(jià)。馮雪教授的研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合多年的可延展柔性電子器件研究經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展了基于力學(xué)-化學(xué)耦合原理的電化學(xué)雙通道無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量方法，利用可以與人體自然共型貼附的柔性電子器件，對(duì)皮膚表面施加不會(huì)引起皮膚不良反應(yīng)的電場(chǎng)，通過離子導(dǎo)入的方式改變組織液滲透壓，調(diào)控血液與組織液滲透和重吸收平衡關(guān)系，驅(qū)使血管中的葡萄糖按照設(shè)計(jì)路徑主動(dòng)、定向地滲流到皮膚表面?；诹W(xué)原理在1.2微米厚的薄膜上制備了具有四層功能層的類皮膚生物傳感器。通過制備器件表面微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)厚度的電子介體電化學(xué)沉積，利用基于液體表面張力和蒸發(fā)毛細(xì)力的仿生液滴轉(zhuǎn)印方法，將多層超薄生物傳感器從制備基底上無(wú)損地剝離下來(lái)，實(shí)現(xiàn)整體厚度只有3.8微米的類皮膚柔性生物傳感器的制備。

　　8. Adv. Mater.：診斷心血管疾病的自驅(qū)動(dòng)脈博傳感器

　　心血管疾病是全球目前導(dǎo)致死亡率最高的疾病之一。長(zhǎng)久以來(lái)心血管疾病患者一直飽受恐懼和折磨。幸運(yùn)的是，目前90%的心血管疾病可以通過長(zhǎng)期的與心血管系統(tǒng)相關(guān)的生理信號(hào)檢測(cè)得到預(yù)防。目前用于的生理信號(hào)原位監(jiān)測(cè)的器件質(zhì)量和性能參差不齊，雖然可以達(dá)到一定的效果，但設(shè)備無(wú)法長(zhǎng)久使用需要定期更換供電系統(tǒng)。尤其是設(shè)備小型化導(dǎo)致的電源供應(yīng)的減少讓靈敏度和功耗之間的矛盾愈加突出。相較于目前大量的研究工作聚焦于尋求功耗與靈敏度之間的平衡，自驅(qū)動(dòng)主動(dòng)式傳感技術(shù)的提出為解決這一矛盾提供了新的方案，它可以將機(jī)械振動(dòng)信號(hào)直接化為電信號(hào)從而解決功耗和靈敏度的矛盾，實(shí)現(xiàn)無(wú)功耗高靈敏度的自驅(qū)動(dòng)傳感。中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員(通訊作者)和王中林院士(通訊作者)領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)，與北京安貞醫(yī)院和朝陽(yáng)醫(yī)院范一帆(通訊作者)、孫廣龍兩位心血管疾病專家合作開展研究工作，共同研發(fā)出無(wú)需信號(hào)放大就可藍(lán)牙傳輸、針對(duì)心血管疾病進(jìn)行預(yù)警和診斷的自驅(qū)動(dòng)超高靈敏脈搏傳感器(SUPS)。SUPS是基于摩擦發(fā)電的主動(dòng)式傳感器，可輸出電壓1.52V，具有很高的峰值信號(hào)與噪聲比(45dB)，是醫(yī)用光電傳感器的10倍，在工作一千萬(wàn)次循環(huán)后仍有很好的輸出特性，且制備成本很低，只有醫(yī)用光電傳感器的1/5。SUPS相比傳統(tǒng)的需要供電的PPG(光電脈搏傳感器)、PPT(壓電脈搏傳感器)等脈搏傳感器，能夠獲得更多的脈搏波的細(xì)節(jié)信號(hào)。SUPS輸出的脈搏波形信號(hào)與傳統(tǒng)設(shè)備所獲取信號(hào)的二階導(dǎo)數(shù)成正比，這使得我們?cè)跓o(wú)需額外復(fù)雜電路設(shè)計(jì)或邏輯運(yùn)算的情況下便可很容易分析脈搏信號(hào)。SUPS輸出電壓高，無(wú)需信號(hào)放大器就可以和藍(lán)牙芯片一起集成，可實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的無(wú)線傳輸，并實(shí)現(xiàn)在智能手機(jī)/電腦上的可視化顯示與分析。利用該脈搏傳感系統(tǒng)，研究人員對(duì)健康成人組和一系列患者組進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，成功的實(shí)現(xiàn)了對(duì)心律失常(房顫)的提示性診斷及對(duì)冠心病、房間隔缺損的鑒別性診斷。SUPS有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)心血管疾病的自驅(qū)動(dòng)可穿戴智能移動(dòng)診斷。

　　9. Nat. Nanotech.： 由長(zhǎng)尾玻璃翼蝴蝶為醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)的多功能雙光子納米結(jié)構(gòu)

　　據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，估計(jì)有8-10%的美國(guó)人(5-6%在其他發(fā)達(dá)國(guó)家)在他們的一生中，都需要依靠植入的醫(yī)療設(shè)備來(lái)維持身體機(jī)能。因此，開發(fā)醫(yī)療植入技術(shù)的努力一直在增加。然而，對(duì)這些努力的一種主要挑戰(zhàn)是，要求在嚴(yán)格限制的范圍內(nèi)具有多種功能，同時(shí)必須確保在體內(nèi)性能和可靠性能方面可以接受。工程多功能表面的靈感通常來(lái)自于自然界，它擁有大量的納米結(jié)構(gòu)，具有廣泛的理想特性。在自然界中，許多活的生物體都擁有能夠?yàn)樯嫣峁╊伾推渌喾N功能的光子納米結(jié)構(gòu)。雖然這些結(jié)構(gòu)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了積極的研究和復(fù)制，但目前尚不清楚它們是否可以用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。近日，美國(guó)加州理工學(xué)院的Hyuck Choo教授和加利福利亞大學(xué)的David Sretavan教授(共同通訊作者)等報(bào)道了一種透明的雙光子納米結(jié)構(gòu)，它受到長(zhǎng)尾玻璃翅蝴蝶(Chorinea faunus)的啟發(fā)，并展示了它在體內(nèi)的眼壓(IOP)傳感器的使用。利用兩種非混相聚合物(聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯)相分離，在Si3N4基質(zhì)上形成納米結(jié)構(gòu)的特征。因此形成的膜具有良好的角質(zhì)性白光透射性、強(qiáng)親水性和抗生物活性，防止蛋白質(zhì)、細(xì)菌和真核細(xì)胞粘附。并且，他們用制備的光子膜作為光學(xué)傳感元件，研制了一種微型的植入式IOP傳感器。最后，通過在新西蘭白兔體內(nèi)進(jìn)行的活體檢測(cè)，表明制備的設(shè)備在沒有炎癥跡象的情況下，降低了IOP的平均測(cè)量偏差。

　　10 . Nature Communications：可拉伸擴(kuò)展的多功能集成電子皮膚

　　人體皮膚是一個(gè)活躍、非常敏感和高彈性的感覺器官，主要承擔(dān)著保護(hù)身體、排汗、溫度調(diào)節(jié)、感知冷熱和壓力等功能。人體軀體感覺系統(tǒng)能夠通過皮膚中的觸覺、溫度、痛覺等感受器將外界環(huán)境刺激轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)，經(jīng)過神經(jīng)通路傳導(dǎo)至神經(jīng)中樞，從而使皮膚獲得觸覺、痛覺等感覺功能?；谄つw這種多功能生物模型，科學(xué)家們開展了一門新興學(xué)科研究——觸感電子學(xué)(俗稱“電子皮膚”，Electronic skin， E-skin)，用來(lái)模仿皮膚的感覺功能如觸覺、溫度感知等功能。目前，電子皮膚是在柔性或彈性基底上制作具備探測(cè)壓力、溫度或其他刺激的傳感器及陣列，能夠感知周圍環(huán)境中的多種物理、化學(xué)、生物等信號(hào)，將有助于開發(fā)新型人機(jī)接口、智能機(jī)器人、仿生假肢等智能化系統(tǒng)。電子皮膚的重要發(fā)展趨勢(shì)是：多功能化以及多重刺激同步監(jiān)測(cè)。近日，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所潘曹峰研究員、王中林院士的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種柔性可拉伸擴(kuò)展的多功能集成傳感器陣列，成功地將電子皮膚的探測(cè)能力擴(kuò)展到7種，實(shí)現(xiàn)了溫度、濕度、紫外光、磁、應(yīng)變、壓力和接近等多種外界刺激的實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)。

　　總結(jié)與展望

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，諸多領(lǐng)域?qū)λ褂玫牟牧咸岢隽嗽絹?lái)越高的要求， 考慮到大多數(shù)可穿戴系統(tǒng)，醫(yī)療保健電子和實(shí)驗(yàn)室芯片測(cè)試工具都可以接觸到任意彎曲的接口，傳感器的靈活性對(duì)于改善其與目標(biāo)系統(tǒng)的相互作用以及提高可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要的測(cè)試。因此，靈活的傳感器對(duì)于諸如醫(yī)學(xué)，醫(yī)療保健，環(huán)境和生物學(xué)等領(lǐng)域的各種創(chuàng)新應(yīng)用非常有希望。因此本課題將以當(dāng)下熱門的石墨烯基柔性傳感器領(lǐng)域?yàn)榍腥朦c(diǎn)，在追求高性能目標(biāo)的同時(shí)，通過對(duì)其組分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予其特征信號(hào)響應(yīng)的功能。然而無(wú)論是傳統(tǒng)的傳感材料或是環(huán)境響應(yīng)材料投入到實(shí)際應(yīng)用中仍然存在諸多問題，主要有以下幾點(diǎn)：

　　(1)目前制備傳感器件的柔性基底少，電學(xué)與力學(xué)性能無(wú)法滿足使用需求。

　　(2)多層結(jié)構(gòu)的傳感器件在柔性狀態(tài)下界面不穩(wěn)定，影響傳感器件的性能。

　　(3)功能單一的傳感器件往往無(wú)法滿足實(shí)際，功能單一和智能化程度低。