皮肤是人体最大的器官，不仅充当抵御外界环境的屏障，也是获取生理信息的重要窗口，蕴含来自真皮、表皮、血管及内脏器官的关键信息。可穿戴传感器通过与皮肤的直接接触，实现对这些生理信号的非侵入性、连续监测，为疾病的预防、早期诊断和治疗提供了新的可能。为了提高佩戴舒适性和测量精准性，穿戴式传感器应具备优异的柔韧性、可拉伸性和生物相容性，确保能够贴合柔软、曲线的皮肤表面，并在长期使用中稳定工作。此外，多生理参数的同步监测对于全面评估个体健康状态具有不可或缺的意义，它能综合反映各项生理指标的变化，为精准健康管理和个性化医疗决策提供数据基础。然而，如何在单一传感器上实现多参数同步监测，同时兼顾高柔韧性、可拉伸性和生物相容性，仍是该领域面临的重大挑战。
北京航空航天大学徐立军教授、郭晶晶副教授团队在Adv. Mater.期刊上发表了题为“Stretchable Multimodal Photonic Sensor for Wearable Multiparameter Health Monitoring”的研究论文。该研究提出了一种新型的可拉伸多模态光子传感器，能够在单个光子器件上同时实现对机械、热和化学参数的多模态感知。传感器集成了类皮肤的可拉伸、防水、透气、自粘附等优异属性，能够与皮肤舒适贴合，实现对心率、呼吸、体温及汗液pH等多项生理参数的实时监测，为可穿戴多参数健康监测提供了全新的解决方案。
多模态光子传感器的设计
该传感器采用具有水凝胶包层的聚二甲基硅氧烷光纤（HPOF）作为敏感元件，并将其封装在两层弹性聚氨酯之间，底层为皮肤粘附基底，最外层为防水保护层。皮肤粘附层设计有狭缝结构，使HPOF能够直接接触皮肤并采集汗液样本。通过在HPOF上集成多种对不同波长响应的传感机制，实现对不同模态刺激的识别与感知。为简化解调结构，该团队创新性利用光子上转换和辐射能量转移，产生光谱分辨的多波段发射，使得传感器能够通过单一激光二极管进行探测。HPOF的纤芯由含有NaYF4:Yb,Er上转换纳米颗粒（UCNPs）的PDMS复合材料制成，包层则采用透明、低折射率的聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶材料。UCNPs中的Er³⁺离子具有一对热耦合能级，利用这对能级产生的发射谱带的温度依赖性，可实现对温度的灵敏检测。PAM包层不仅赋予光纤阶跃折射率的导光特性，还引入了丰富的氨基官能团。该团队进一步利用NHS酯基团与氨基的共价结合，将pH敏感荧光染料（pHrodo Red）共价固定于PAM聚合物链上，从而实现对pH的响应。pHrodo Red的吸收光谱与UCNPs的发射带重叠，从而促进辐射能量转移（RET）的发生。此外，该染料分子还赋予了HPOF波长依赖的吸收特性，基于光在特定波长的吸收变化，可以定量检测光纤所受的机械形变。 图1 可拉伸多模态光子传感器设计、制备和功能 多模态传感机理及其性能研究 图2 温度敏感机理及传感特性 图3 pH敏感机理及传感特性 图4 应变敏感机理及传感特性 人体多生理参数监测应用 图5 对人体健康进行实时多参数监测 结论与展望 该研究为柔性光子器件在可穿戴健康监测中的应用提供了新的思路与可能性。区别于以往报道的多传感器融合设计，该团队利用光信号的多维度信息，在单一光子传感器上实现了机械、热、化学刺激的独立感知，且无需复杂的传感器集成或信号解耦算法，简化了系统设计并提升了感知性能。凭借其多模态感知能力，优异的柔韧性、可拉伸性和生物相容性，该传感器能够舒适的皮肤持续地监测由动脉脉搏、心肺活动等引起的机械刺信号，以及皮肤温度和汗液pH值，从而更为全面的揭示人体的健康状态。未来，结合光子学与电子学的最新进展，有望进一步提升传感器的集成度和可穿戴性，推动更加便捷、智能的健康监测设备的开发。
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