Published November 22, 2023 | Version v1
Publication Open

Near‐Infrared Organic Photodetectors toward Skin‐Integrated Photoplethysmography‐Electrocardiography Multimodal Sensing System

Creators

  • 1. Tsinghua–Berkeley Shenzhen Institute
  • 2. Tsinghua University
  • 3. Peking University
  • 4. Technical University of Munich
  • 5. Zhejiang University
  • 6. Heinz Maier-Leibnitz Zentrum
  • 7. Shenzhen Institutes of Advanced Technology
  • 8. Chinese Academy of Sciences

Description

Abstract In the fast‐evolving landscape of decentralized and personalized healthcare, the need for multimodal biosensing systems that integrate seamlessly with the human body is growing rapidly. This presents a significant challenge in devising ultraflexible configurations that can accommodate multiple sensors and designing high‐performance sensing components that remain stable over long periods. To overcome these challenges, ultraflexible organic photodetectors (OPDs) that exhibit exceptional performance under near‐infrared illumination while maintaining long‐term stability are developed. These ultraflexible OPDs demonstrate a photoresponsivity of 0.53 A W −1 under 940 nm, shot‐noise‐limited specific detectivity of 3.4 × 10 13 Jones, and cut‐off response frequency beyond 1 MHz at −3 dB. As a result, the flexible photoplethysmography sensor boasts a high signal‐to‐noise ratio and stable peak‐to‐peak amplitude under hypoxic and hypoperfusion conditions, outperforming commercial finger pulse oximeters. This ensures precise extraction of blood oxygen saturation in dynamic working conditions. Ultraflexible OPDs are further integrated with conductive polymer electrodes on an ultrathin hydrogel substrate, allowing for direct interface with soft and dynamic skin. This skin‐integrated sensing platform provides accurate measurement of photoelectric and biopotential signals in a time‐synchronized manner, reproducing the functionality of conventional technologies without their inherent limitations.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الخلاصة في المشهد سريعالتطور للرعاية الصحية اللامركزية والشخصية، تنمو الحاجة إلى أنظمة الاستشعار الحيوي متعددة الوسائط التي تتكامل بسلاسة مع جسم الإنسان بسرعة. يمثل هذا تحديًا كبيرًا في ابتكار تكوينات فائقة المرونة يمكنها استيعاب أجهزة استشعار متعددة وتصميم مكونات استشعار عاليةالأداء تظل مستقرة على مدى فترات طويلة. للتغلب على هذه التحديات، يتم تطوير كواشف ضوئية عضوية فائقة المرونة تُظهر أداءً استثنائياً تحت إضاءة الأشعة تحت الحمراء القريبة مع الحفاظ على الاستقرار على المدىالطويل. تُظهر هذه العيادات الخارجية المرنة للغاية استجابة ضوئية تبلغ 0.53 أمبير -1 واط تحت 940 نانومتر، وكشفًا محددًا محدودًا للضوضاء يبلغ 3.4 × 10 13 جونز، وتكرار استجابة مقطوع يتجاوز 1 ميجا هرتز عند -3 ديسيبل. نتيجة لذلك، يتميز مستشعر التمثيل الضوئي المرن بنسبة إشارة إلى ضوضاء عالية وسعة ذروة إلى ذروة ثابتة في ظل ظروف نقص الأكسجين ونقص التروية، متفوقًا على مقاييس التأكسج التجارية لنبضات الأصابع. وهذا يضمن الاستخراج الدقيق لتشبع الأكسجين في الدم في ظروف العمل الديناميكية. يتم دمج العيادات الخارجية المرنة للغاية بشكل أكبر مع أقطاب البوليمر الموصلة على ركيزة هيدروجيل رقيقة للغاية، مما يسمح بالتفاعل المباشر مع البشرة الناعمة والديناميكية. توفر منصة الاستشعار المتكاملة للجلد هذه قياسًا دقيقًا للإشارات الكهروضوئية والإشارات ذات الإمكانات الحيوية بطريقة متزامنة زمنيًا، مما يعيد إنتاج وظائف التقنيات التقليدية دون قيودها المتأصلة.

Translated Description (French)

Résumé Dans le paysage enévolution rapide des soins de santé décentralisés et personnalisés, le besoin de systèmes de biodétection multimodaux qui s'intègrent parfaitement au corps humain augmente rapidement. Cela présente un défi important dans la conception de configurations ultraflexibles pouvant accueillir plusieurs capteurs et la conception de composants de détection hauteperformance qui restent stables sur de longues périodes. Pour surmonter ces défis, des photodétecteurs organiques ultraflexibles (OPD) qui présentent des performances exceptionnelles sous un éclairage proche infrarouge tout en maintenant une stabilité à longterme sont développés. Ces OPD ultraflexibles démontrent une photosensibilité de 0,53 A W −1 sous 940 nm, une détectivité spécifique limitée au bruit de tir de 3,4 × 10 13 Jones et une fréquence de réponse de coupure au-delà de 1 MHz à −3 dB. En conséquence, le capteur de photopléthysmographie flexible présente un rapport signal sur bruit élevé et une amplitude crête à crête stable dans des conditions d'hypoxie et d'hypoperfusion, surpassant les oxymètres de pouls à doigts commerciaux. Cela garantit une extraction précise de la saturation en oxygène du sang dans des conditions de travail dynamiques. Les OPD ultraflexibles sont en outre intégrés avec des électrodes polymères conductrices sur un substrat d'hydrogel ultrafin, permettant une interface directe avec une peau douce et dynamique. Cette plate-forme de détection intégrée à la peau fournit une mesure précise des signaux photoélectriques et biopotentiels de manière synchronisée dans le temps, reproduisant la fonctionnalité des technologies conventionnelles sans leurs limitations inhérentes.

Translated Description (Spanish)

Resumen En el panorama en rápida evolución de la atención médica descentralizada y personalizada, la necesidad de sistemas de biosensores multimodales que se integren perfectamente con el cuerpo humano está creciendo rápidamente. Esto presenta un desafío significativo para diseñar configuraciones ultraflexibles que puedan acomodar múltiples sensores y diseñar componentes de detección de altorendimiento que permanezcan estables durante largos períodos. Para superar estos desafíos, se desarrollan fotodetectores orgánicos ultraflexibles (OPD) que exhiben un rendimiento excepcional bajo iluminación infrarroja cercana mientras mantienen la estabilidad a largoplazo. Estas OPD ultraflexibles demuestran una fotorresponsividad de 0.53 A W −1 por debajo de 940 nm, una detectividad específica limitada al ruido de disparo de 3.4 × 10 13 Jones y una frecuencia de respuesta de corte más allá de 1 MHz a -3 dB. Como resultado, el sensor de fotopletismografía flexible cuenta con una alta relación señal-ruido y una amplitud estable de pico a pico en condiciones hipóxicas e hipoperfusión, superando a los oxímetros de pulso de dedo comerciales. Esto garantiza una extracción precisa de la saturación de oxígeno en sangre en condiciones de trabajo dinámicas. Los OPD ultraflexibles se integran aún más con electrodos de polímero conductor en un sustrato de hidrogel ultrafino, lo que permite una interfaz directa con una piel suave y dinámica. Esta plataforma de detección integrada en la piel proporciona una medición precisa de señales fotoeléctricas y biopotenciales de manera sincronizada en el tiempo, reproduciendo la funcionalidad de las tecnologías convencionales sin sus limitaciones inherentes.

Files

advs.202304174.pdf

Files (16.0 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:758e8dd3c8891a4046cf1bef36ea99dd
16.0 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
كاشفات ضوئية عضوية بالأشعة تحت الحمراء القريبة نحو نظام استشعار متعدد الوسائط لتخطيط التمثيل الضوئي المتكامل للجلد -تخطيط كهربية القلب
Translated title (French)
Photodétecteurs organiques àinfrarouge proche vers la photopléthysmographie intégrée à la peau - Système de détection multimodal par électrocardiographie
Translated title (Spanish)
Fotodetectores orgánicos deinfrarrojo cercano hacia la fotopletismografía integrada en la piel - Sistema de detección multimodal de electrocardiografía

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4388922003
DOI
10.1002/advs.202304174

Is supplement to
https://openalex.org/W4297152434 (Other)
https://openalex.org/W4200107443 (Other)
https://openalex.org/W3119076404 (Other)
https://openalex.org/W3024664220 (Other)
https://openalex.org/W2748952813 (Other)
https://openalex.org/W2732360296 (Other)
https://openalex.org/W2182698433 (Other)
https://openalex.org/W2122132874 (Other)
https://openalex.org/W2072858761 (Other)
https://openalex.org/W1994871954 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1770723810
  • https://openalex.org/W1977380830
  • https://openalex.org/W2055999471
  • https://openalex.org/W2075093418
  • https://openalex.org/W2087851757
  • https://openalex.org/W2097721391
  • https://openalex.org/W2098527861
  • https://openalex.org/W2110576716
  • https://openalex.org/W2117154563
  • https://openalex.org/W2117987876
  • https://openalex.org/W2134546792
  • https://openalex.org/W2164875840
  • https://openalex.org/W2169065164
  • https://openalex.org/W2268822069
  • https://openalex.org/W2281870854
  • https://openalex.org/W2507675293
  • https://openalex.org/W2566193558
  • https://openalex.org/W2588756183
  • https://openalex.org/W2625649160
  • https://openalex.org/W2725467102
  • https://openalex.org/W2803297114
  • https://openalex.org/W2805703924
  • https://openalex.org/W2811451122
  • https://openalex.org/W2824171137
  • https://openalex.org/W2891386968
  • https://openalex.org/W2898378041
  • https://openalex.org/W2899609120
  • https://openalex.org/W2911737149
  • https://openalex.org/W2918284348
  • https://openalex.org/W2922316915
  • https://openalex.org/W2923414476
  • https://openalex.org/W2927698283
  • https://openalex.org/W2946473693
  • https://openalex.org/W2952416044
  • https://openalex.org/W2956741661
  • https://openalex.org/W2965005743
  • https://openalex.org/W2971164718
  • https://openalex.org/W2972647116
  • https://openalex.org/W2980822660
  • https://openalex.org/W2983028813
  • https://openalex.org/W2987219171
  • https://openalex.org/W2999240275
  • https://openalex.org/W2999849791
  • https://openalex.org/W3005348902
  • https://openalex.org/W3010553083
  • https://openalex.org/W3012163988
  • https://openalex.org/W3029684493
  • https://openalex.org/W3032877169
  • https://openalex.org/W3038570893
  • https://openalex.org/W3083918355
  • https://openalex.org/W3090570519
  • https://openalex.org/W3096122204
  • https://openalex.org/W3099855885
  • https://openalex.org/W3121115736
  • https://openalex.org/W3124257166
  • https://openalex.org/W3135128169
  • https://openalex.org/W3150347925
  • https://openalex.org/W3162325124
  • https://openalex.org/W3165343042
  • https://openalex.org/W3174382932
  • https://openalex.org/W3213911864
  • https://openalex.org/W4207053635
  • https://openalex.org/W4210349465
  • https://openalex.org/W4211178353
  • https://openalex.org/W4225525464
  • https://openalex.org/W4250928742
  • https://openalex.org/W4280517447
  • https://openalex.org/W4296702481
  • https://openalex.org/W4306969177
  • https://openalex.org/W4324387205
  • https://openalex.org/W4327715476
  • https://openalex.org/W4380869844
  • https://openalex.org/W4383872414
  • https://openalex.org/W4388922003