可穿戴技术的普及率已经大幅上升，然而最常见的可穿戴设备的有效性受到其部件的物理规格的阻碍：尽管该装置通常嵌入在柔性软壳中，但主要部件，例如传感器和电子设备仍然是刚性的。现在，在科学方面的进展，Palet等人报告了一种基于石墨烯的灵活、透明的可穿戴设备，其表面覆盖有一层半导体纳米粒子，称为量子点。令人印象深刻的是，这种设备只使用环境光作为信号来测量各种生命体征。

只有一个或几个原子厚的材料被称为二维材料。最著名的例子是石墨烯，它由排列在六角形晶格中的碳原子组成。一般而言，2D材料和石墨烯对于下一代可穿戴、软生物传感器的发展具有巨大的潜力，因为它们结合了物理导电性、光学透明性、机械柔性，以及优异的生物相容性和生物电解质的稳定性。基于石墨烯的纹身类设备此前被用于记录人体健康信号，如心律、皮肤水合作用和体温。它们的优异性能与石墨烯的亚纳米厚度有关，石墨烯可以随皮肤弯曲和拉伸，而不会影响传感器的性能。

柔性智能生物传感器

Polat等研究人员观察到，他们的设备的响应度（每光输入的电输出）非常大。高响应性是由于石墨烯层中的空穴被量子点循环利用，有效地增加了器件中每吸收一个光子所产生的电荷载流子的数量——据说器件表现出光电导增益。

先前报告的光传感器通常没有光电导增益，因此需要放大器设备来增强电信号；这会增加功耗和整个设备的尺寸。此外，放大器必须与传感器非常接近，这可以限制可穿戴设备在皮肤轮廓上的能力。Polat及其同事的设备的固有光电导增益消除了对放大器的需求，解决了上述问题，使传感器特别适合实际应用。

光电子学与纤维的结合增强了纺织品的性能

那么，传感器是如何用来测量生命体征的呢？特定波长的光很容易穿过人类皮肤和邻近组织，但被血液强烈吸收——更具体地说，它被血红蛋白（一种在红细胞中运输氧气的分子）吸收。通过持续监测穿过组织的光强度，传感器可以产生称为光容积图（PPGs）的读数，其中包含血管容积变化的信息，这些信息可以与心率8相关。Polat和他的同事们表明，他们的可穿戴设备可以非常高效地利用通过组织的环境光来精确测量人类的心率。此外，这些装置的灵敏度使研究人员能够通过数学分析PPG数据来估计呼吸频率。与呼吸相关的物理运动通常会产生由刚性可穿戴设备9检测到的PPG信号中的伪影和噪声，但是新装置的物理不显眼性和灵活性克服了这个问题。

这种可穿戴设备还可以帮助医生检查的另一个重要健康信号是动脉血氧饱和度（SpO2），即血液中含氧血红蛋白的百分比（图1）。低SpO2水平可导致意识丧失、精神功能受损、呼吸和心脏骤停。富氧红细胞对红光和近红外光的吸收与无氧红细胞的吸收有显著差异。因此，作者通过使用他们的设备来测量这两种波长的光吸收来估计SpO2水平。

图1

使用光检测生命体征的传感器

研究人员使用了涂有半导体纳米颗粒的石墨烯，制成灵活、透明的装置，可以探测通过组织传输的光。环境光很容易通过人体皮肤和组织，但被红细胞中的血红蛋白吸收。通过监测环境光通过组织时的调制，传感器可以监测血流和心率。呼吸速率也可以通过对血流数据的数学分析来估计。此外，富氧红细胞对红光和近红外光的吸收与富氧红细胞的吸收明显不同。通过监测红光和近红外光的吸收，传感器可以监测血液中的氧含量。

最后，Polat和他的同事报告了他们的技术的进一步应用：紫外线的监测。某些紫外线波长可能对皮肤有害，甚至可能导致癌症，因此需要测量环境中的紫外线水平。作者表明，他们的设备可以与先前制造的芯片集成，使传感器能够将紫外线测量无线传输到手机上，从而实现对环境紫外线指数的连续和方便的监测。

所报告的传感器都被设计成与可穿戴设备所需的任何其他电子设备进行无线通信，从而将软的传感器与其他部件分离。但无线设计需要一个读出设备（如手机）靠近传感器，这使得诸如心率监测得以实现。建立可穿戴柔性传感器与传统电子学之间的长期、连续的通信对于未来的应用至关重要。

石墨烯现在已经被用作可穿戴和移动健康设备的各种原型中的传感器和信号传感器。然而，更重要的是，石墨烯为其他二维材料在传感器和移动健康监测设备中的应用铺平了道路。我们认为，对这些材料的全面研究将对未来开发可供人类佩戴、甚至可与人类结合的生物传感器至关重要。

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