近日，我校光电检测技术与系统天津市重点实验室李鸿强教授团队在《Advanced Science》在线发表题为“Polymer-Based Multiparameter Sensing Integrated Photonic Chip for Health Monitoring”的研究论文，阐述了团队在可穿戴健康监测用光子芯片设计与应用方面取得的最新进展。我校电子与信息工程学院博士研究生李晓林为第一作者，李鸿强教授为通讯作者，开云手机在线入口官网_开云（中国）为第一完成单位和唯一通讯单位。该研究同时由开云手机在线入口官网_开云（中国）绍兴柯桥研究院、西班牙巴塞罗那大学、西班牙WorldSensing、天津市胸科医院、澳大利亚沃隆港大学等单位合作完成。
传统人体健康监测设备功能单一、体积较大，难以同步检测多种生理/生化指标。迄今为止大多数柔性可穿戴传感器件都是基于电传感，因其内禀结构和传感机理的限制，它们较容易受到电磁场干扰和不耐电化学腐蚀。光具有极其丰富的信息维度（光强、相位、波长和偏振）以及多样化的光与物质相互作用机制，在传感领域发挥着越来越重要的作用。光传感器件具有抗电磁干扰、电气安全优势，且光学信号内禀地具有可复用、调制解调多样化等，特别是在多自由度传感体系中具有较大优势。聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等聚合物材料具备良好的生物相容性与加工性能，是制备柔性可穿戴光传感器件的理想材料，但如何实现多种生理/生化指标传感光子器件的同步高灵敏度单片集成，解决好传统折射率传感与光场调控在血液/汗液多体液复杂基质下，其与酶促反应动力学、分子识别行为及流场-光场协同作用之间的调控关系，兼顾检测精度与机械稳定性，将复杂生理/生化检测即时化和芯片化，是柔性可穿戴器件领域亟待解决的技术难题。
针对上述问题，李鸿强教授团队提出一种基于PDMS/PMMA材料的单片光子芯片的设计和集成，研究了多种生理/生化指标光子传感功能单元器件的理论模型、光场调控规律以及器件材料参数和结构参数对于器件传感性能的影响，探索了各光子传感功能单元器件微结构集成的物理极限和结构工艺等基础问题，构建了单片光子芯片封装键合新方法，最终完成了光子芯片的光电性能测试。该光子芯片集成了波导布拉格光栅血糖传感光子器件、压力传感阵列、温度传感光子器件、马赫-曾德尔调制器心电传感光子器件、马赫-曾德尔干涉仪汗液葡萄糖传感光子器件及阵列波导光栅解调光子器件，整体芯片尺寸仅为1cm×0.5cm。
图1. 光子芯片整体架构与多生理/生化传感功能单元结构示意图。(A)多生理/生化传感光子芯片整体光路结构与芯片实物显微图；(B)MZM心电传感光子器件结构；(C)MZI汗液葡萄糖传感光子器件结构；(D)WBG血液葡萄糖传感光子器件结构；(E)WBG压力传感光子器件结构；(F)WBG温度传感光子器件结构；(G)阵列波导光栅AWG光子器件结构。
研究表明，该光子芯片各传感功能单元工作性能稳定、检测精度优异。血糖传感光子器件可在0-2.3mg/mL区间稳定检测，压力传感阵列光子器件有效检测范围为0-12kPa，温度传感光子器件适配人体35-41℃体温区间，汗液葡萄糖传感光子器件检测范围达0-0.2mg/mL，灵敏度可达9.3595mW/(mg/mL)，心电传感光子器件可精准采集心电，波形特征完整，检测性能与商用心电设备相当。同时，AWG解调光子器件具备出色的温度与时间稳定性。基于该聚合物光子芯片的柔性光电路力学性能测试表明，该柔性光电路具备一定的柔韧性与抗形变能力，经多次弯曲、拉伸循环后测试性能无明显下降，能够贴合人体曲面并适应日常活动带来的形变干扰。与现有同类柔性可穿戴传感器件相比，该光子芯片具有高集成度、检测灵敏度高、适配多种生理/生化指标、柔性可穿戴等特点，为柔性可穿戴医疗监测、人体体征实时检测等领域提供了全新技术路径。
该研究工作得到了中国与西班牙合作研究及技术转移项目（中西卡CHINEKA）、国家自然科学基金项目、天津市自然科学基金重点项目、天津市重点研发计划项目以及光电检测技术与系统天津市重点实验室开放课题等资助和支持。
（审稿：电子与信息工程学院 牛萍娟 编辑：党委宣传部 胡敏）
图片来源：电子与信息工程学院
