可穿戴的獨(dú)立式電化學(xué)傳感系統(tǒng)研發(fā)成功

（文章來源：科技報(bào)告與資訊）

在《Science Advances》上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，Yichao Zhao和美國集成生物電子，材料與工程研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種一次性的獨(dú)立式電化學(xué)傳感系統(tǒng)（FESS）。FESS使他們能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)策略，以解決運(yùn)動(dòng)中可穿戴生物傳感器的挑戰(zhàn)，并實(shí)現(xiàn)與消費(fèi)電子產(chǎn)品的無縫集成。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款具有FESS功能的智能手表，該手表在獨(dú)立的可穿戴平臺(tái)內(nèi)具有汗液采樣、電化學(xué)感應(yīng)以及數(shù)據(jù)顯示和傳輸功能。該團(tuán)隊(duì)使用FESS-smartwatch來監(jiān)視久坐和高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)環(huán)境中個(gè)體汗液代謝產(chǎn)物的概況。

物聯(lián)網(wǎng)（IOT）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可用于可穿戴式消費(fèi)電子產(chǎn)品，以最少的用戶干預(yù)收集生理相關(guān)數(shù)據(jù)，從而轉(zhuǎn)變?yōu)閭€(gè)性化和精密醫(yī)學(xué)所需的數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家通常在商業(yè)可穿戴平臺(tái)中使用物理傳感器跟蹤用戶的身體活動(dòng)和生命體征。然而，為了深入了解人體的動(dòng)態(tài)化學(xué)，研究人員需要電化學(xué)感應(yīng)表面來無創(chuàng)回收體液（例如汗液）中的生物標(biāo)記分子。為此，精確設(shè)計(jì)從皮膚到讀出單元的信息傳遞途徑至關(guān)重要。對(duì)于電化學(xué)感測(cè)，信息傳遞途徑必須以微流體結(jié)構(gòu)對(duì)富含生物標(biāo)志物的生物流體進(jìn)行采樣并將其傳遞到傳感器表面，然后通過互連元件將信號(hào)傳導(dǎo)至讀出電子設(shè)備。在存在運(yùn)動(dòng)引起的應(yīng)變的情況下，必須沿該路徑保持信號(hào)。

在這項(xiàng)工作中，趙等人開發(fā)了獨(dú)立式電化學(xué)傳感系統(tǒng)（FESS），并使用雙面粘合力將其同時(shí)粘附到皮膚和電子設(shè)備，而無需使用剛性連接器。FESS進(jìn)行表皮采樣和定向回收用于電化學(xué)傳感的生物流體，然后通過應(yīng)變隔離途徑路由至讀出電子設(shè)備。他們將FESS集成到定制的智能手表中，以進(jìn)行汗水感應(yīng)、采樣、電化學(xué)感應(yīng)、信號(hào)處理以及數(shù)據(jù)顯示或傳輸。結(jié)果表明，在不限制用戶運(yùn)動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)了高保真信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和與人體皮膚的牢固接觸。獨(dú)立式傳感系統(tǒng)可以與未來的可穿戴電子設(shè)備鏈接，以根據(jù)用戶的日?；顒?dòng)生成有關(guān)的健康數(shù)據(jù)。

為了創(chuàng)建有效的生物途徑，趙等人選擇的是整聯(lián)蛋白，一種細(xì)胞粘附分子，可有效地在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外之間進(jìn)行生理信息交換。他們將FESS設(shè)計(jì)為垂直導(dǎo)電的雙面膠和由多個(gè)垂直堆疊的薄膜組成的柔性微流體生物分析薄膜系統(tǒng)。這些膜包括粘合各向異性導(dǎo)電膜（ACF），貴金屬電極陣列膜，生化膜，微流體膜和皮膚粘合膜。他們將完整的薄膜系統(tǒng)用膠帶粘貼到讀出電子設(shè)備上，而無需連接器，并且接觸電阻最小，可以將任何電接觸轉(zhuǎn)換為化學(xué)或生物傳感器。該團(tuán)隊(duì)使用FESS開發(fā)了原理證明、自成一體的生物標(biāo)記物感應(yīng)智能手表，以監(jiān)測(cè)久坐不動(dòng)者的汗液代謝產(chǎn)物情況。

在這種設(shè)置中，ACF的垂直電導(dǎo)率促進(jìn)了平面外信號(hào)互連，從而避免了人體運(yùn)動(dòng)引起的不希望的信號(hào)路徑應(yīng)變效應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)對(duì)FESS的機(jī)械粘合特性進(jìn)行了表征，以確保FESS與電子產(chǎn)品之間的粘合力高于FESS與干燥或活躍出汗的皮膚之間的粘合力。該團(tuán)隊(duì)測(cè)試了將ACF層從印刷電路板上的FESS剝離所需的力，結(jié)果顯示了基于FESS的牢固的電子互連，適用于人體應(yīng)用。

趙等人測(cè)試了FESS的信號(hào)傳導(dǎo)能力。他們?cè)贏CF上圖案化了貴金屬電極，以實(shí)現(xiàn)生化至電信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)，然后沉積生化膜以分析感興趣的生物分子靶標(biāo)。他們測(cè)試了金屬圖案化ACF在未經(jīng)修飾的金（Au）和鉑（Pt）納米粒子修飾的Au上兩個(gè)常用電極表面的電化學(xué)活性。在工作中研究的電分析方法提供了從答案到答案的生物標(biāo)記物讀數(shù)，以實(shí)時(shí)了解汗液生物成分的變化。

在接下來的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究小組展示了FESS在用戶的日?；顒?dòng)中監(jiān)視生物標(biāo)志物的能力。為此，他們將FESS集成到了定制開發(fā)的智能手表中，作為包括物聯(lián)網(wǎng)和模擬/數(shù)字電路，藍(lán)牙收發(fā)器和液晶顯示屏（LCD）屏幕的IOT設(shè)備，用于系統(tǒng)級(jí)功能，包括信號(hào)和用戶命令處理，顯示和無線數(shù)據(jù)通訊。

基于FESS的智能手表的性能類似于恒電位儀?？茖W(xué)家將完整的智能手表粘附在皮膚上，而無需外部包裹或固定裝置即可將無線生物標(biāo)記物感應(yīng)為一個(gè)獨(dú)立的單元。LCD屏幕顯示生物標(biāo)志物測(cè)量值的實(shí)時(shí)讀數(shù)和時(shí)間曲線，而藍(lán)牙接收器將讀數(shù)中繼到定制開發(fā)的移動(dòng)應(yīng)用程序，以將數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器以進(jìn)行進(jìn)一步分析。

該團(tuán)隊(duì)將基于FESS的智能手表粘貼到受試者的前臂上，以顯示其作為可穿戴系統(tǒng)的功能，以監(jiān)控生物標(biāo)志物。受試者可以無線控制該設(shè)備，以進(jìn)行相對(duì)于用戶的日常基于汗液的生物標(biāo)志物測(cè)量。使用者在進(jìn)食混合膳食之前或之后監(jiān)測(cè)他們的汗液葡萄糖水平，并且智能手表的讀數(shù)表明食物攝入后汗液葡萄糖水平升高，這與以前的趨勢(shì)一致。該智能手表還為用戶提供了在田間跑步時(shí)汗液讀數(shù)的信息，盡管涉及高頻和基于高加速度的身體運(yùn)動(dòng)，結(jié)果仍是一致的。

FESS有效地連接了皮膚并讀出電子設(shè)備，以收集生物標(biāo)記信息。該團(tuán)隊(duì)將FESS系統(tǒng)與定制開發(fā)的智能手表無縫地結(jié)合在一起，作為可穿戴生物傳感器，可在用戶的日常工作中監(jiān)控實(shí)時(shí)生物標(biāo)記讀數(shù)。為了使在這項(xiàng)工作中開發(fā)的原型商業(yè)化，Zhao等人提出未來的臨床試驗(yàn)，以繪制基于汗液的生物標(biāo)志物讀數(shù)，并獲得有關(guān)用戶生理狀態(tài)的信息。
（責(zé)任編輯：fqj）