近日，來自暨南大學和東莞理工學院的科研團隊取得重要突破，成功研發(fā)出一種柔性光電混合微光纖長周期光柵多模態(tài)傳感器，相關(guān)成果“Flexible Optoelectronic Hybrid Microfiber Long-period Grating Multimodal Sensor”發(fā)表于國際知名期刊《Advanced Science》。該研究的通信作者為暨南大學的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周期光柵多模態(tài)傳感器，該傳感器集成了光學和電學兩種傳感機制，可同時監(jiān)測生物力學信息和葡萄糖，為可穿戴傳感器的設(shè)計提供了新的思路，在糖尿病管理等領(lǐng)域具有潛在的應用價值。

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)測動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，深入探究人體健康狀況，準確預測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。糖尿病患者因胰島素失衡導致血糖濃度異常，這會引發(fā)一系列嚴重并發(fā)癥，如足部感染，嚴重時甚至可能導致截肢，還會對眼睛、腎臟、血管、心臟等重要器官造成損害。傳統(tǒng)的葡萄糖測量方法主要依賴侵入性的針刺采血檢測，這種方法不僅在檢測和評估之間存在時間延遲，給患者帶來心理負擔，而且難以在生理狀況突然變化時快速監(jiān)測動態(tài)血糖水平?？纱┐魃飩鞲衅鞯某霈F(xiàn)，為糖尿病的持續(xù)無創(chuàng)管理帶來了新的希望。這類傳感器利用間質(zhì)液、汗液、唾液和眼淚等替代體液進行葡萄糖監(jiān)測，通過對人體汗液、脈搏、運動行為等生化或物理變化進行現(xiàn)場樣本分析，能夠高效、便捷地監(jiān)測慢性疾病，有助于評估佩戴者日常活動中的病理生理異常情況。近年來，可穿戴生物傳感器平臺不斷發(fā)展，功能逐漸向測量多種生化和物理健康參數(shù)轉(zhuǎn)變，以避免單一參數(shù)分析可能導致的誤診。然而，目前大多數(shù)生物標志物檢測研究存在問題，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，由于單一機制下的信號相關(guān)性，往往需要復雜的算法進行解耦，以確保每個檢測量都能輸出可靠的數(shù)據(jù)。此外，在日常活動中同時監(jiān)測心率、血壓等重要生物力學參數(shù)以及傷口愈合狀態(tài)，能夠全面評估人體健康狀況，為醫(yī)療決策提供有力支持。這促使了具有不同自解耦機制的混合多模態(tài)生物傳感器的發(fā)展，以優(yōu)化對生化和物理參數(shù)的同時感知能力，有效減少信號干擾。但將多種傳感模式集成到一個可穿戴平臺，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)，尤其是在處理復雜融合和跨模態(tài)精度的多元輸出數(shù)據(jù)時，增加了電子設(shè)備小型化的復雜性。因此，開發(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，以實現(xiàn)準確的生化和物理監(jiān)測至關(guān)重要。

圖2. a) 基于激光誘導石墨烯調(diào)制的微光纖長周期光柵（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) 當光以諧振（相位匹配，左圖）和非諧振（非匹配，右圖）波長入射時，通過光柵區(qū)域傳播的光的模擬振幅分布的俯視圖；d) 當光以諧振（相位匹配，左圖）和非諧振（非匹配，右圖）波長入射時，通過光柵區(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之間的關(guān)系；g) LIG-mLPG的實物圖。

2.LIG-mLPG的設(shè)計與制備：通過火焰刷技術(shù)拉制微光纖，將其封裝在PDMS中，再利用激光誘導PDMS形成LIG，LIG的圖案化結(jié)構(gòu)對微光纖的消逝場進行周期性調(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LIG進行表征，結(jié)果表明激光照射使PDMS的化學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?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通過光學信號實現(xiàn)生物力學傳感，對壓力敏感，靈敏度為(2.06nm/kPa)，檢測限為(0.008kPa)，響應時間和恢復時間分別約為(2.8ms)和(15.5ms)，穩(wěn)定性良好。其對折射率的響應可通過界面修飾調(diào)節(jié)，未修飾時對生物標志物不敏感，適合作為生物力學敏感元件。

石墨烯電極的電學響應：LIG叉指電極通過電學信號實現(xiàn)生化傳感，結(jié)合GB水凝膠可構(gòu)建應變不敏感的葡萄糖傳感器。GB水凝膠具有良好的導電性、生物相容性、粘彈性和自愈合性。該傳感器對葡萄糖檢測具有特異性，檢測限為(0.0246mM) ，且光柵光學信號對葡萄糖變化不敏感。

圖4. a) 施加2 mN應力階躍時，測量得到的微光纖長周期光柵（mLPG）的凹陷波長位移；b) 不同壓力水平下單個凹陷的透射光譜記錄；c) LIG - mLPG在不同壓力水平下波長位移的重復性；d) 測量得到的凹陷波長位移隨施加壓力的變化；e) LIG - mLPG在1 kPa壓力下的響應時間和恢復時間；f) LIG - mLPG在一個月內(nèi)的穩(wěn)定性；g) 親水處理前和h) 親水處理后，不同折射率下單個凹陷的透射光譜記錄；i) 親水處理前后，測量得到的凹陷波長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中的應用：將LIG-mLPG傳感器貼在糖尿病大鼠傷口處，可監(jiān)測傷口硬度和葡萄糖水平變化。傷口硬度隨時間增加，傳感器光學信號變化與之相符；注射胰島素后，傷口滲出液中葡萄糖濃度下降，傳感器電學信號變化與血糖儀測量結(jié)果一致，同時還能捕獲呼吸信號。

6.人體健康實時多參數(shù)監(jiān)測：將LIG-mLPG傳感器貼在人體不同部位，可分別監(jiān)測脈搏和汗液葡萄糖信號，且兩種信號相互獨立。對不同志愿者的運動實驗表明，傳感器能有效監(jiān)測運動過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正負連接模式與GB水凝膠/LIG在不同壓力下電阻變化的對比；d) GB水凝膠在不同剪切應變下儲能模量G′和損耗模量G″的變化；e) GB水凝膠在不同頻率下儲能模量G′和損耗模量G″的變化；f) 在大應變（50%）和小應變（0.5%）之間交替切換剪切應變進行的流變恢復測試；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) 對葡萄糖的特異性。

圖7. a) 運動時在胸部進行監(jiān)測（無變形，僅有汗液）；b) 靜止時在手腕處進行監(jiān)測（無汗液，脈搏引起變形）；c) 運動時手腕處脈搏波的變化；d) 運動過程中汗液中葡萄糖濃度的變化（藍色）以及使用商用血糖儀測量的血糖變化（紅色）；e) 脈搏率隨時間的變化。

7. 研究結(jié)論：成功制備了一種可同時監(jiān)測生物力學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、響應快、靈敏度高且穩(wěn)定性好。未來可通過集成光學和電學信號讀出系統(tǒng)、優(yōu)化LIG電學性能和開發(fā)更好的水凝膠等方式進一步改進。

該研究得到了國家自然科學基金、廣東省基礎(chǔ)與應用基礎(chǔ)研究基金等多個項目的支持?？蒲袌F隊表示，未來將進一步優(yōu)化傳感器，通過集成光學和電學信號讀出系統(tǒng)、優(yōu)化 LIG 的電學性能、開發(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