可穿戴的独立式电化学传感系统研发成功

（文章来源：科技报告与资讯）

在《Science Advances》上发表的一项新研究中，Yichao Zhao和美国集成生物电子，材料与工程研究团队设计了一种一次性的独立式电化学传感系统（FESS）。FESS使他们能够实现系统级设计策略，以解决运动中可穿戴生物传感器的挑战，并实现与消费电子产品的无缝集成。该团队开发了一款具有FESS功能的智能手表，该手表在独立的可穿戴平台内具有汗液采样、电化学感应以及数据显示和传输功能。该团队使用FESS-smartwatch来监视久坐和高强度运动环境中个体汗液代谢产物的概况。

物联网（IOT）基础结构可用于可穿戴式消费电子产品，以最少的用户干预收集生理相关数据，从而转变为个性化和精密医学所需的数据。科学家通常在商业可穿戴平台中使用物理传感器跟踪用户的身体活动和生命体征。然而，为了深入了解人体的动态化学，研究人员需要电化学感应表面来无创回收体液（例如汗液）中的生物标记分子。为此，精确设计从皮肤到读出单元的信息传递途径至关重要。对于电化学感测，信息传递途径必须以微流体结构对富含生物标志物的生物流体进行采样并将其传递到传感器表面，然后通过互连元件将信号传导至读出电子设备。在存在运动引起的应变的情况下，必须沿该路径保持信号。

在这项工作中，赵等人开发了独立式电化学传感系统（FESS），并使用双面粘合力将其同时粘附到皮肤和电子设备，而无需使用刚性连接器。FESS进行表皮采样和定向回收用于电化学传感的生物流体，然后通过应变隔离途径路由至读出电子设备。他们将FESS集成到定制的智能手表中，以进行汗水感应、采样、电化学感应、信号处理以及数据显示或传输。结果表明，在不限制用户运动的情况下，实现了高保真信号转导和与人体皮肤的牢固接触。独立式传感系统可以与未来的可穿戴电子设备链接，以根据用户的日常活动生成有关的健康数据。

为了创建有效的生物途径，赵等人选择的是整联蛋白，一种细胞粘附分子，可有效地在细胞内和细胞外之间进行生理信息交换。他们将FESS设计为垂直导电的双面胶和由多个垂直堆叠的薄膜组成的柔性微流体生物分析薄膜系统。这些膜包括粘合各向异性导电膜（ACF），贵金属电极阵列膜，生化膜，微流体膜和皮肤粘合膜。他们将完整的薄膜系统用胶带粘贴到读出电子设备上，而无需连接器，并且接触电阻最小，可以将任何电接触转换为化学或生物传感器。该团队使用FESS开发了原理证明、自成一体的生物标记物感应智能手表，以监测久坐不动者的汗液代谢产物情况。

在这种设置中，ACF的垂直电导率促进了平面外信号互连，从而避免了人体运动引起的不希望的信号路径应变效应。该团队对FESS的机械粘合特性进行了表征，以确保FESS与电子产品之间的粘合力高于FESS与干燥或活跃出汗的皮肤之间的粘合力。该团队测试了将ACF层从印刷电路板上的FESS剥离所需的力，结果显示了基于FESS的牢固的电子互连，适用于人体应用。

赵等人测试了FESS的信号传导能力。他们在ACF上图案化了贵金属电极，以实现生化至电信号的转导，然后沉积生化膜以分析感兴趣的生物分子靶标。他们测试了金属图案化ACF在未经修饰的金（Au）和铂（Pt）纳米粒子修饰的Au上两个常用电极表面的电化学活性。在工作中研究的电分析方法提供了从答案到答案的生物标记物读数，以实时了解汗液生物成分的变化。

在接下来的几个实验中，研究小组展示了FESS在用户的日常活动中监视生物标志物的能力。为此，他们将FESS集成到了定制开发的智能手表中，作为包括物联网和模拟/数字电路，蓝牙收发器和液晶显示屏（LCD）屏幕的IOT设备，用于系统级功能，包括信号和用户命令处理，显示和无线数据通讯。

基于FESS的智能手表的性能类似于恒电位仪。科学家将完整的智能手表粘附在皮肤上，而无需外部包裹或固定装置即可将无线生物标记物感应为一个独立的单元。LCD屏幕显示生物标志物测量值的实时读数和时间曲线，而蓝牙接收器将读数中继到定制开发的移动应用程序，以将数据上传到云服务器以进行进一步分析。

该团队将基于FESS的智能手表粘贴到受试者的前臂上，以显示其作为可穿戴系统的功能，以监控生物标志物。受试者可以无线控制该设备，以进行相对于用户的日常基于汗液的生物标志物测量。使用者在进食混合膳食之前或之后监测他们的汗液葡萄糖水平，并且智能手表的读数表明食物摄入后汗液葡萄糖水平升高，这与以前的趋势一致。该智能手表还为用户提供了在田间跑步时汗液读数的信息，尽管涉及高频和基于高加速度的身体运动，结果仍是一致的。

FESS有效地连接了皮肤并读出电子设备，以收集生物标记信息。该团队将FESS系统与定制开发的智能手表无缝地结合在一起，作为可穿戴生物传感器，可在用户的日常工作中监控实时生物标记读数。为了使在这项工作中开发的原型商业化，Zhao等人提出未来的临床试验，以绘制基于汗液的生物标志物读数，并获得有关用户生理状态的信息。
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