Graphen-Quantenpunktdetektoren für tragbare Gesundheitsüberwachungssysteme der nächsten Generation
Die Gesundheitsüberwachung, insbesondere im Fitnessbereich, zählte zu den ersten Anwendungen, die Smart Wearables erstmals nicht mehr nur als attraktives technologisches Konzept, sondern als praxisorientierte, marktfähige Produkte präsentierten. Eine umfassende Gesundheitsüberwachung zur Erkennung verschiedenster Gesundheitsmarker kann jedoch schnell sperrig werden. Aus diesem Grund mussten Ingenieure bisher versuchen, das richtige Mittelmaß zwischen Funktionalität und Komfort zu finden: So ließ sich nur eine begrenzte Zahl von Komponenten integrieren, wodurch das komplette System an Attraktivität einbüßte. Eine mögliche Lösung liegt laut Dr. Frank Koppens vom Spanish Institute of Photonic Sciences (IFCO) in den inhärenten Eigenschaften von Graphen-Quantenpunktdetektoren – Fotodetektoren mit bestimmten Merkmalen, die auf Graphen-Quantenpunkten (GQD) und Halbleiter-Quantenpunkten basieren. Mit GQD-Detektoren wäre die Entwicklung eines flexiblen, kompakten und tragbaren Systems zur dauerhaften Überwachung der Verbrauchergesundheit und der Muskelgesundheit von Sportlern während sportlicher Aktivitäten oder nach einer Verletzung möglich. „Unser Fotodetektor ist in einem besonders breiten Spektralbereich von 300 bis 2 200 nm hochgradig lichtempfindlich. Vor allem aber ist er flexibel“, betont Dr. Koppens. „Möglich wird dies dadurch, dass sich der Detektor auf nahezu jedem flexiblen Substrat verwenden lässt. Er ist nur wenige Hundert Nanometer dick und damit hervorragend zur Integration in tragbare Sensoren geeignet.“ Entscheidend ist dabei die Verwendung von Graphen als ultradünner Leiter mit äußerst hohen leitfähigen Eigenschaften, wie insbesondere Elektromobilität. Darüber hinaus kann Graphen problemlos auf flexible Substrate übertragen werden und relativ große Flächen abdecken. „Das funktioniert folgendermaßen“, erklärt Dr. Koppens: „Licht, sei es nun von einem LED-Gerät oder aus der Umgebung, dringt in die Haut ein und tritt mit dem Gewebe und den Blutgefäßen in Wechselwirkung. Es wird dort zum Teil absorbiert, zum Teil aber auch reflektiert und kann in diesem Fall vom Detektor registriert werden. Wenn sich die Venen nun durch den Herzschlag dehnen und zusammenziehen, wird auch das Fotodetektionssignal entsprechend moduliert. Mit anderen Worten: Der Herzschlag ist direkt aus dem Fotodetektionssignal ersichtlich.“ Das ist natürlich nur ein Beispiel. Die Technologie, die im Rahmen des Projekts GRAPHEALTH (Hybrid quantum dot and graphene wearable sensor for systemic hemodynamics and hydration monitoring) entwickelt wurde, hat auch ihre Einsatzfähigkeit für Anwendungsbereiche wie die Sauerstoffüberwachung bereits unter Beweis gestellt. Weitere bedeutende Gesundheitsmarker werden ebenfalls bald erfassbar sein. Der Fotodetektor von GRAPHEALTH ist mit gegenwärtigen Fertigungsverfahren für flexible Elektronik kompatibel. Die Industrie muss daher keine erwähnenswerten Investitionskosten befürchten. „Wir haben verschiedene Prototypen von Wearable-Geräten angefertigt, zum Beispiel ein Wearable für das Handgelenk und ein Pflaster (Patch), das eher einem dünnen Aufkleber gleicht – und konnten damit demonstrieren, dass ihre Herstellung mit skalierbarem großflächigem Graphen möglich ist“, schwärmt Dr. Koppens. Nun, da das Projekt zum Abschluss gekommen ist, beabsichtigt das Team um Dr. Koppens, das GRAPHEALTH-System durch die Integration weiterer Gesundheitsmarker noch vielseitiger zu machen. Außerdem möchten die Forscher einen vollständig integrierten „Health Patch“ entwickeln, der neben dem Pflaster selbst auch Elektronik sowie drahtlose Energie- und Datenübertragung bieten soll. „Prognosen über eine mögliche Kommerzialisierung sind schwierig, da flexible Elektronik und Wearables noch sehr junge Märkte sind. Wir können eine sehr breite Palette unterschiedlicher Wearables herstellen, und auch die Integration in bereits existierende Wearables, etwa durch die Kombination mit einer Smartwatch, kommt in Betracht. Die Herausforderung liegt nun darin, die richtige Entscheidung darüber zu treffen, auf welche Anwendung wir uns konzentrieren sollten“, sagt Dr. Koppens abschließend.
Schlüsselbegriffe
GRAPHEALTH, Gesundheitsüberwachung, Graphen, Smart Wearables
