研究背景
近红外检测技术凭借强穿透性、无创性及非接触传感能力，在生物医学监测领域占据关键地位，尤其在光体积描记法检测中，可通过640nm（可见光）和950nm（近红外）波长获取心率、血氧饱和度等重要生理参数。随着人工智能与物联网技术的发展，可穿戴健康监测设备需求激增，但现有技术存在明显短板：商用刚性无机光电探测器缺乏柔韧性，难以与皮肤贴合，影响接触式测量精度；红外相机虽能实现非接触监测，却存在体积庞大、成本高昂及隐私泄露风险。有机光电探测器虽具备柔韧性、光谱可调等优势，但用于近红外检测时，面临灵敏度低、暗电流高、响应速度慢及波长选择性差等问题，难以满足接触与非接触双模检测的实际需求，因此开发高性能、多功能的近红外有机光电探测器成为推进下一代健康监测技术的关键。
南开大学化学学院、有机新物质创造前沿科学中心陈永胜院士、李光辉副研究员设计了窄带隙受体ZCH-1并采用三元补偿策略，成功突破了近红外有机光电探测器在灵敏度、响应速度与双模检测方面的技术瓶颈。这款器件不仅实现了300-1100nm的宽光谱吸收和精准双波长响应，更以超低暗电流、超高探测率和快速响应的综合性能领先同类产品，柔性版本还具备出色的机械稳定性。它既可以贴身贴合实现精准接触式监测，又能在70mm距离内完成非接触式心率与血氧检测，完美适配多样化健康监测场景。相关研究成果以“EnhancedSensitivityofNear-InfraredOrganicPhotodetectorsviaTernaryCompensationforContact/ContactlessVitalitySurveillance”为题发表于国际顶级期刊《CCSChemistry》(IF9.2)，南开大学有机新物质创造前沿科学中心为论文通讯单位。
研究内容
研究团队通过分子设计与三元补偿协同策略，开发出高性能近红外有机光电探测器。在分子设计方面，团队在CH系列受体骨架中引入醌型π桥，合成出窄带隙受体ZCH-1，密度泛函理论计算证实该设计增强了端基吸电子能力、延长了共轭长度，有效窄化了分子带隙（图1）。ZCH-1在溶液中最大吸收峰为793nm，薄膜状态下红移至949nm，onset吸收达1082nm，使材料光谱吸收范围拓宽至300-1100nm，且热分解温度高达319°C，具备良好的热稳定性与光稳定性。选取与ZCH-1能量水平匹配、吸收互补的PBDB-T作为给体，构建二元器件，其在640nm和950nm处形成双响应峰，与氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收特性高度契合，为精准血氧检测奠定基础。
为进一步优化器件性能，团队引入给体聚合物D18作为第三组分，构建PBDB-T:D18:ZCH-1三元体系，实现三重优化目标：减少陷阱态密度、抑制电极电荷注入、改善薄膜形貌。通过调控D18的重量比例，发现当D18相对PBDB-T占比30%时，器件性能最优（图2）。该三元器件在-1V偏压下暗电流密度低至8.4×10⁻⁹Acm⁻²，较二元器件降低五倍；在640nm和950nm处的响应度分别达到0.34AW⁻¹和0.41AW⁻¹，950nm处的比探测率高达4.1×10¹²Jones。噪声光谱分析表明，D18的引入同时抑制了闪烁噪声、散粒噪声和热噪声，噪声等效功率显著降低。动态性能测试显示，器件上升时间和下降时间分别为1.3μs和1.4μs，-3dB截止频率达290kHz，线性动态范围为137.8dB，经过60000次循环后性能保留率仍达99%，在已报道的950nm以上探测范围有机光电探测器中表现出最优的综合性能（图3）。
团队进一步制备了柔性近红外有机光电探测器，采用ITO/聚酰亚胺基底，器件结构与刚性器件一致（图4）。柔性器件在零偏压下，640nm和1000nm处的响应度分别为0.19AW⁻¹和0.28AW⁻¹，比探测率超过10¹²Jones，响应速度达2.4μs。经过2000次曲率5mm的弯曲循环后，器件的响应度、噪声电流及动态性能无明显衰减，展现出优异的机械稳定性。在实际应用测试中，柔性器件可贴合皮肤及轮椅扶手、电脑鼠标、方向盘等曲面载体，实现动态场景下的接触式生理监测，清晰捕获心率波形（图5）。得益于高灵敏度与高波长选择性，器件在0-70mm的非接触距离内，仍能稳定获取心率和血氧饱和度信号，且血氧值测量结果不受距离影响，憋气状态下的血氧变化也能被精准捕捉，验证了其双模监测能力。
总结
本研究通过分子设计与三元补偿策略的协同作用，成功开发出兼具高灵敏度、快响应速度与高波长选择性的近红外有机光电探测器，实现了接触与非接触双模生命体征监测。窄带隙受体ZCH-1的设计拓宽了光谱吸收范围至1100nm，其与PBDB-T构建的二元体系形成匹配生理检测需求的双响应峰；D18的引入有效降低了陷阱态密度、抑制了电荷注入，使三元器件在暗电流、响应度、探测率及响应速度等关键指标上均达到优异水平。柔性器件展现出良好的机械稳定性与贴合能力，可集成于多种日常载体；双模监测功能既满足了可穿戴设备的接触式精准检测需求，又通过非接触模式规避了直接皮肤接触带来的感染风险，提升了特殊人群使用的舒适性与安全性。该器件兼容低成本、大面积制备工艺，为下一代可穿戴健康诊断设备及人工智能驱动的远程医疗系统提供了极具潜力的技术平台。
文献信息
Enhanced Sensitivity of Near-Infrared Organic Photodetectorsvia Ternary Compensation for Contact/Contactless Vitality Surveillance. CCSChem. 2025, JustPublished. 10.31635/ccschem.025.202506094
来源：Funchem
