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前言
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关键要点
1. 日本理化学研究所的科研团队开发了一种全溶液加工的自供电有机光电传感器，可以贴附在人体测量光电容积脉搏波（PPG）。
2. 该有机传感器可实现长期（35天）稳定测量PPG，与商用传感器的脉率测量误差仅有0.2%，太阳能模块可供给光电模块正常工作。且更好地贴合能够大大减少测量的运动伪影。
3. 团队设计的全溶液加工技术预期可实现有机器件的大规模生产。
光电容积描记图（PPG），也即脉搏波，是一种非侵入式的生物医学检测技术，通过监测血液容积变化来评估生理参数。它通常通过在皮肤上放置光源和光敏感元件来实现。PPG在临床上可以用作心率监测，进一步用于评估心脏健康和诊断心律失常等状况；也可以用于脉搏血氧饱和度测量，来监测患者的氧合情况；最新的研究表明PPG还可以用于无创血压估计。目前在可穿戴设备上集成的商用PPG传感器仍基于传统的无机电子器件，柔性较差，尺寸和厚度均较大，难以实现微型化和完全可穿戴，限制了其在可穿戴医疗领域的应用延申。
然而，有机光电器件复杂的多层堆叠器件结构又给规模化生产带来了挑战。全溶液加工的有机光电器件可以实现集成多种功能的超薄可穿戴电子产品的大规模制造。在这里，作者报道了一种全流程解决方案来制造可穿戴、自供电的光电体积描记图 (PPG) 传感器。通过使用适用于有机光伏、光电探测器和发光二极管的三层器件结构，与具有蒸发电极的复杂参考器件相比，实现了一致的性能和更高的稳定性。基于全溶液处理的有机发光二极管和光电探测器的PPG传感器阵列可以在大面积超薄基板上制造，以实现长期存储稳定性。我们将其与大面积、全溶液处理的有机太阳能组件集成，实现自供电的健康监测系统。我们在基于有机光电子学的大面积超薄基板上制造具有复杂功能的高通量可穿戴电子器件。我们的研究结果可以推进集成复杂功能的超薄电子设备的高通量制造。他们的工作在《科学·进展》杂志上进行了详细介绍。
A. 全溶液处理有机光电器件的横截面图以及超薄基板上的制造工艺。
B. 全溶液加工光电器件中使用的聚合物和小分子材料的化学结构。
C. 超薄有机光电器件与玻璃基板的溶液和分层过程的照片。电极和有机半导体材料的溶液储存在一个小瓶中并自动分离。
A. 将 EGaIn 滴在 N 2手套箱中的 PM6:IT-4F 活性层上
B. 将 EGaIn 喷涂在 N 2手套箱中的 PM6:IT-4F 活性层上
C. 将 EGaIn 喷涂在N 2手套箱中的照片和显微镜图像PM6：环境空气中的 IT-4F 活性层。
D. N 2手套箱和 E. 环境空气中喷涂的EGaIn 的厚度分布。
F. 图像序列显示了滴入 N 2手套箱（顶部）和环境空气（底部）中的 0.2 g EGaIn 液滴的行为，以 8000 fps 的帧速率捕获。
G. 在 N 2手套箱和 ( H ) 环境空气中喷涂的 EGaIn 的 Ga 2p 的 XPS 谱。EGaIn液滴在N 2和空气条件下的滴落行为的模拟结果。
J. 多个EGaIn液滴连续滴落的示意图。
K. 有机活性层薄膜上EGaIn覆盖区域的图像和示意图。
L. 蒸发的 Ag 和 EGaIn 电极的功函数。
A. 超薄基材上刮刀涂覆的PEDOT:PSS、刮刀涂覆的PM6:IT-4F、刮刀涂覆的P3HT:PC 61 BM、刮刀涂覆的SY和喷涂的EGaIn的分层过程。
B. LED 灯下全溶液处理和真空蒸镀单结 OPV 的J – V曲线。
C. 环境空气中全溶液处理和真空蒸发 OPV 的室内 MPP 跟踪的归一化 PCE。
D. 全溶液处理和真空蒸发的 OPD 的暗和光J – V曲线。
E. 全溶液处理和真空蒸发的 OPD 的 EQE 谱。
F. 全溶液处理 OLED 的归一化电致发光 (EL) 光谱。插图显示超薄全溶液处理 OLED 运行过程中的照片。
G. 全溶液处理 OLED 的电流密度-亮度-电压曲线。
A. 超薄基板上完全涂覆的大面积太阳能模块以及从玻璃基板支撑件上剥离后的照片。
B. 全涂层 PPG 传感器的照片，该传感器基于超薄基板上的 OLED 和 OPD，以及从玻璃基板支撑件上剥离后的照片。插图显示 OLED 在 10 V 下运行。
C. 全溶液处理的不同形状的多色显示器。
D. 描述 OLED 和 OPD 的 PPG 运行机制的示意图。
E. 全溶液处理的PPG传感器的脉搏波的长期测量。
F. 全溶液处理电子系统PPG信号的空气稳定性。设备在黑暗的环境空气中储存了数天。
G. 大面积、全溶液处理的太阳能模块贴在手上，PPG 传感器贴在手指上。
H. 自供电 PPG 传感器的电路。
I. 采用 PPG 测量的全溶液处理 OPD 的输出电压特性。大面积全溶液处理 OPV 模块通过太阳模拟器的太阳照明为全溶液处理 OLED 提供动力。
J. 测量结果显示血脉频率为 72 bpm。
结论
经过全溶液处理的传感器显示出典型的 PPG 信号，即使长期（超过35天）暴露在环境空气中也能保持与脉搏波相关的信号，并且初始信噪比（全溶液处理传感器的SNR）达到了23dB。具有通用三层结构的全溶液处理器件的出色稳定性使得传感器能够进行如此长期的检测。将检测到的信号与商用 PPG 传感器进行比较，脉率误差仅有0.2%。由于良好的柔韧性和皮肤贴合性，与刚性商业设备相比，该设备可以实现高信噪比，同时最小化光耗散和运动伪影。我们还对传感器进行了灵活性测试。在不同弯曲半径下评估了全溶液处理传感器的灵活性，该器件仍然保持了初始SNR值的80%以上。
大面积太阳能模块在1 个单位下可产生 25.87 mW 的最大输出功率，确保有足够的电流和电压来驱动 PPG 传感器中的 OLED。由于这些全溶液加工的器件足够薄，因此大面积太阳能模块和PPG传感器可以附着在人体皮肤上。该装置的细胞毒性测试验证了其良好的生物相容性和毒性。
这些结果代表了所提出的具有通用三层结构的全溶液加工有机光电器件的适用性。所提出的三层结构可以使用刀片和喷涂技术制备，从而能够快速制造大面积光电器件，同时保持复杂的器件组成。未来，作者将进一步提高设备的渗透性和信号处理能力，以增强舒适度和运动伪影识别能力，最终促进有机和钙钛矿半导体器件的商业化生产。
▼参考资料
*本文仅分享医疗科技前沿进展，不代表平台利益。如涉及版权问题，请联系我们删除。
END
编译 | 刘帅
来源 | Science Advances
审核 | 医工学人
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