基于三维组装微针离子传感器的生理离子波动透皮监测可穿戴系统

传感新品

【中山大学：基于三维组装微针离子传感器的生理离子波动透皮监测可穿戴系统】

新品亮点

1、降维加工法将片状微针组装成三维微针阵列；

2、基于三维微针阵列的离子传感微针阵列系统包含离子传感阵列、辅助电路和应用程序；

3、能实时、原位地监测皮下钠、钾和钙离子的浓度变化。

研究背景

人体健康监测和早期疾病检测在现代医学中意义重大。基于智能传感器的可穿戴健康监测系统可以附着在人体上，实时检测健康特征，并提供及时的预警和反馈。近几十年来，随着新技术的出现，科学家们在基础研究和临床医学方面取得了喜人的进展。可穿戴式传感器可以轻松地贴附到人体上，采集一系列生理信息，如脉搏、血压和血糖水平等，并将数据传输到智能设备，加以提取和分析疾病概况。近年来，多种可穿戴传感器被用于人体健康信息的无创检测。尽管这些非侵入性传感器具有极好的生物安全性，但因为只能接触到皮肤表面的物质，所以无法直接测量体内的生化分析物。

目前这些可穿戴传感器的测量目标主要限于物理信号，如脉搏、心电图、生理压力，或分泌物如汗液、泪液中的分子。人体内的生化标志物如离子（Na+、K+、Ca2+、pH值）和代谢物（葡萄糖、乳酸、尿酸），是人体生化检测的重要指标，但皮肤作为身体的保护层，会阻碍外部设备对体内生化标志物的检测。组织间液存在于细胞间隙中，其所含小分子分析物，如代谢物（葡萄糖、乳酸）和电解质较血浆内的浓度接近。目前测量离子浓度多通过金属针头取血，容易造成创伤，导致疼痛和感染风险，因而阻碍了对体内离子波动的长期和连续监测。长度为500-800微米的微针头可以穿透皮肤角质层但不接触血管或神经，引起了很多人的关注。然而，基于微针阵列的可穿戴检测设备，尤其是同时检测不同离子的器件很少。这是因为，相比平面电极，在三维微针阵列上制备不同功能的传感器的加工要求更高。同时，在间隔紧密、结构紧凑的微针针尖上的修饰难度也更大。

在文章中，作者基于降维加工技术，将片状微针集成为三维微针阵列，开发了一个离子传感微针阵列系统，用于实时连续检测皮下离子。通过激光微机械加工制造的片状微针，并加以组装，解决了制造具有多个电极通道的三维微针结构的局限性，也解决了将间隔紧密的微针尖修改为不同功能类型的电极的难题。离子传感微针阵列系统在检测钠、钾和钙离子浓度的实时变化方面具有足够的敏感性，并表现出良好的线性响应范围、传感检测选择性和持续稳定性。结果表明，离子传感微针阵列可以实时监测大鼠皮下组织液中钠、钾和钙离子的浓度变化。作者将这些微针电极集成为一个可穿戴的监测系统，该系统可作为实时监测人体健康的重要工具，并有可能为与生理离子变化有关的疾病提供信息反馈。

图文导读

图1：用于连续离子监测的微针传感器的原理图和制备流程。

(a)用于检测的微针阵列传感器示意图。可穿戴微针传感器通过皮肤进行微创检测，测量组织液中不同离子的浓度。检测信号由微针传感器传输到辅助电路，由微处理器进行数据处理和图形化展示。(b)微针阵列传感器的制备方法。利用激光技术制备片状微针，在微针尖端分别修饰导电层、粘附层和传感层获得微针工作电极，实现了对离子的选择性检测。基于降维加工法将微针工作电极与微针参比电极、微针对电极集成，形成离子传感微针阵列，并可进一步与印刷电路板结合成离子传感微针阵列系统。

图2：不同修饰情况下片状微针的表面形貌表征。

(a)从左至右: 空白片状微针、金层修饰过片状微针、PEDOT 离子转换层修饰后的片状微针的不同放大倍数的电子扫描显微镜图像。(b-c)微针离子电极的光学和电子扫描显微镜表征: (b)钙离子传感微针电极, (c) 钾离子传感微针电极, (d)钠离子传感微针电极。

图3：离子传感微针电极对不同离子的电化学响应。

(a)经染色的离子传感微针电极的荧光图像;

(b)经染色的离子传感微针电极穿透后猪皮的荧光图像;

(c)离子传感微针电极的体外连续监测实验装置图;

(d)离子传感微针电极对各个浓度不同离子的线性响应图;

(e)-(f)离子传感微针电极对各个浓度不同离子的平行实验；

(g)离子传感微针电极检测不同种类离子的相对稳定性及统计分析；

(h)离子传感微针电极检测不同离子的灵敏度；

(i)-(k)离子传感微针电极对不同离子的特异性响应。

图4：离子传感微针阵列用于在体连续监测大鼠皮下组织液中的离子波动。

(a)-(c)用离子传感微针阵列检测大鼠皮下各种离子(Ca2+、K+和Na+)的电位信号，并将其转换为离子浓度。使用商业仪器获取大鼠血液中 Ca2+，K+和Na+的参考值，并根据参考值(图中紫色星号)校准检测结果；

(d)各大鼠皮下组织液中离子浓度随时间变化的波动情况；

(e)各大鼠皮下组织液中离子浓度随时间变化的相关性分析；

(f)离子传感微针阵列在检测各大鼠体内不同类型离子时的检测准确度的误差网格分析；

(g)在体连续监测实验中，离子传感微针阵列对不同类型离子检测的平均误差。

图5：用于离子传感微针阵列系统辅助电路的电路设计和功能验证。

(a) 印刷电路板的电路实现和版图设计；

(b) 离子传感微针阵列辅助电路的系统框图；

(c) 印刷电路板的实物图；

(d) 印刷电路板对不同输入和输出电压信号的相关性校验；

(e)-(f) 离子传感微针阵列分别连接印刷电路板与电化学工作站时，检测不同类型离子的归一化响应的对比和回归分析；

(g) 佩戴在人体模型手臂上的离子传感微针阵列系统；

(h) 检测数据经过蓝牙传输并实时形成的离子波动检测应用程序界面。

传感动态

【年产40万台监测传感器和应急大脑云平台建设项目落户这里高新区】

记者8月15日从市高新区获悉，湖北飞迈科技有限公司年产40万台监测传感器和应急大脑云平台建设项目正式签约落户市高新区。

湖北飞迈科技有限公司是一家专注于隧道、边坡、基坑、桥梁、大坝、地下管廊等岩土工程领域传感器和自动化安全监测仪器研发与生产的高新技术企业，拥有岩土工程监测传感器、试验设备、工程材料、自动化采集系统、组网传输模块、远程通信模块及一体化监测模块等产品百余种。产品在安全监测领域得到广泛应用，远销东南亚、欧洲、中东等世界各地。

据悉，该项目总投资5亿元，达产后预计可实现年产振弦式传感、MEMS型传感器、压阻型传感器等工程监测类传感器40万套，年产值10亿元以上。

该项目的引进落户是市高新区推进第二、三产业融合的典型示范。未来，高新区将围绕该项目打造集“智慧应急大脑”大数据应用、技术研发、产品生产、检验检测、项目运营管理、展览展示于一体的产业综合基地，围绕安全产业相关领域，通过产学研融合，促进企业、院校之间优势互补、资源共享，为企业引进专家技术人才提供支持，为院校搭建人才培养、科研成果转化渠道，打造引领行业发展的标杆型平台，填补国内在该领域的空白。

【柯力传感战略投资湾测，其客户有富士康、宁德时代等】

8月15日，柯力传感（603662）（603662）旗下子公司深圳市柯力智能传感产业发展有限公司与深圳市湾测技术有限公司（简称“湾测”）正式签署增资协议，完成了对湾测的战略投资。参与本轮增资的还有同创伟业、凡创资本以及老股东线性资本等知名投资机构。

深圳市湾测技术有限公司成立于2020年，总部位于深圳，是一家以研发及品质为核心的高端工业传感器创新企业。

湾测创始团队均来自世界500强企业，深耕工业传感器领域10余年。公司创始人此前任职于富士康，并在日本欧姆龙工作8年，德国西克工作3年，担任中国区高管，对工业传感有深厚的行业认知和市场经验。联合创始人兼产品总监此前任职于日本基恩士和德国西克。研发总监此前任职于华为海思半导体和速腾聚创。

根据中商产业研究院数据显示，中国工业传感器市场规模由2016年的267.5亿元增长至2021年的455.2亿元，年均复合增长率11.22%，2022年的市场规模达到500亿元左右。但长期以来，这一市场主要被基恩士、欧姆龙、西克等进口品牌占据，国产品牌存在缺乏核心技术、产品偏低端同质化等问题。

目前，湾测的传感器产品和解决方案涵盖精密测量、工业安全和通用传感三大领域，广泛应用于3C、半导体、新能源、汽车和传统制造业等多个行业，近年来，湾测已经成功导入富士康、宁德时代（300750）、立讯精密（002475）、大族激光（002008）、BYD、中创新航等知名企业客户。

本轮融资完成后，湾测将进一步提升研发实力、品质管理能力和客户服务能力，同时公司也将于2023年末整体入驻到柯力传感在深圳光明区的智能传感产业园区。

展望未来，柯力将在研发、市场、供应链等方面与湾测进行深度合作，助力湾测持续快速地高质量发展，打造具有全球综合竞争力的高端传感器民族品牌。

【博士近百人、硕士3000余人！歌尔股份多维度集聚创新资源】

近年来，歌尔股份有限公司（以下简称“歌尔股份”）围绕国家产业发展战略，坚持“创新是第一动力”理念，充分发挥创新主体作用，将自主创新、融通创新作为推动企业跨越发展的“关键一招”。通过集聚创新资源、引育创新人才、攻关核心技术、布局前沿产业等举措，打造企业技术领先优势，提升市场竞争力。在全球范围内集聚产业上下游创新资源，加快科技成果转移转化进程，大力引育顶尖人才和青年科技人才，建立差异化发展通道和个性化成长路径，以人才推动科技创新，引领企业跨越发展。目前，拥有研发管理人才2万名，省级以上重点人才15名，博士近百人、硕士3000余人，入选国家产教融合型企业，3次获评全省人才工作表现突出单位，连续6年夺得中国电子元件百强研发实力榜冠军，是国内唯一进入全球微机电领域十强的企业，上榜中国企业500强。主要做法和经验启示如下。

拓展全球人才引进渠道，谱写人才创新“新篇章”。加大人才招引力度，将人才战略上升为企业重要发展战略，织密引才网络，面向全球引才，汇聚国内外创新人才资源。推动各事业群（部）设立人力资源部，构建上下贯通引才机制，加强人才举荐激励，设立“伯乐奖”，累计发放引才奖金2000余万元。创新“六国二十地”引才模式，瞄准世界科技创新前沿，在美日韩、京沪深等地分别设立研发中心、人才飞地，形成全球化引才体系，就地识别吸纳声光电类专业人才200余人。设立人才“全球招募官”，猎聘行业顶尖人才，从美国引进光学技术专家，推动歌尔光学事业实现“开天辟地”式发展，打破国外在AR显示模组方面的技术垄断，推荐入选国家级重点人才，获评2022年度省科学技术青年奖。实施“歌尔之翼”引才计划，聚焦VR/AR、声光学、微电子等前沿技术领域，重点引进世界TOP100、“双一流”高校毕业生，累计吸引高校毕业生近万名，其中“双一流”毕业生3000余人

校企合作共引共育，搭建人才成长“立交桥”。整合教育资源，着眼科技创新、产业培育与人才培养体系协同发展，强化科教融汇、产教融合、协同育人。与曲阜师范大学、哈尔滨理工大学、山东理工大学等15所高校合作共建现代产业学院。与南京大学、山东大学等高校合作定向培养工程硕士、本科卓越工程师，年培养高技能人才1500余名。入选首批国家产教融合型企业，歌尔工学院获批省级产业学院，正与山东大学共建山大歌尔元宇宙现代产业学院、山大歌尔研究院。强化内部人才培育晋升，围绕工程师、技师、班组长等条线，设立G-plan干部培养、精英人才计划等分类分层专业培育体系，助力一批技师、工艺师、制造工程师快速成长，培育省级以上重点人才15名、鸢都产业领军人才14名。打造“1+1+1”匠造班人才培养体系，即第一阶段在校学习、第二阶段进入歌尔匠造培训中心学习、第三阶段到歌尔顶岗实习，在机械制造、机电一体化、自动化等专业领域与50多所学校密切合作，建设40多个校企合作专业，学生毕业后双向选择，毕业即入职、上岗即胜任，持续输送人才3130人。

瞄准前沿核心技术，打造科研攻关“强引擎”。坚持“创新是第一动力”，推动校企产学研深度合作，以技术创新引领产业高质量发展。搭建高能级平台载体，创建虚拟现实领域唯一国家级创新中心，建成博士后科研工作站等9个省部级创新平台。与中科院、北航、清华大学等联合建立研究院，5年投入130亿元鼓励人才创新研发，生产的MEMS声学传感器市场占有率位居国内第一，成为唯一进入全球微机电领域前十的中国企业。探索校企共建科研团队，与斯坦福大学、麻省理工学院、清华大学等知名高校和科研机构开展产学研合作，引导各类人才领衔参与创新课题。2022年，与高校和科研院所达成12项开放课题，涉及光学、新材料等技术领域，项目经费合计936万元。实施重大科技专项，先后承担12项“国字号”重大专项、20余项省级专项，参与扬声器听音实验、语音通信用传声器和虚拟现实等多项国家和行业标准制订。累计申请专利2.9万项，其中PCT及国外专利3300项，连续6年夺得中国电子元件百强研发实力榜冠军。

【英特尔放弃收购以色列代工芯片制造商，因中国未批准？专家回应】

英特尔和以色列代工芯片制造商高塔半导体16日表示，由于未能及时获得监管机构批准，双方拟议的54亿美元收购交易已被终止。路透社、彭博社等多家媒体称，未批准这笔交易的是中国监管部门。

去年2月，英特尔宣布和高塔半导体达成最终收购协议。彭博社称，收购这家以色列公司是英特尔进入快速成长的半导体代工市场计划的一部分。首次宣布这笔交易时，英特尔表示需要“大约12个月”完成。到去年10月份，这家芯片制造商表示，它的目标是2023年第一季度完成收购，但随后在今年3月警告说，这个日期可能会推迟到第二季度。知情人士说，交易的最后期限是加州时间8月15日午夜，两家公司都预计不会得到中国的批准。

路透社称，英特尔首席执行官格尔辛格曾表示，他正努力让中国监管机构批准收购高塔的交易，上个月他还访问过中国，与政府官员会面。但格尔辛格也表示，无论交易结果如何，英特尔都要投资芯片代工业务。

《华尔街日报》称，大规模的全球收购通常需要主要市场多个监管机构的认可。在中国，如果交易中的两家公司在中国的年收入合计超过1.17亿美元，则合并将引发反垄断审查。

美媒渲染称，这是中美商业关系紧张的最新迹象。《纽约时报》称，在中美紧张的经济关系中，科技是主要战场。美国主导一系列措施限制向中国出售具有军事用途的最先进计算机芯片，以及制造此类芯片的工厂设备，这令北京深感不安。中国谴责这些举动是华盛顿遏制其技术发展和减缓其经济增长的努力。

通信行业专家项立刚16日对《环球时报》记者表示，高塔半导体一些业务在中国开展，相关并购案需要中国监管部门批准。如果并购行为会导致垄断，形成对中国产业的冲击和影响，不被批准是正常的，其他并购案中也出现过相关情况。“对中国产业不利，我们当然就不会批。”项立刚说。

去年，杜邦公司放弃了以52亿美元收购电子材料制造商罗杰斯公司的交易，原因也是未能获得中国监管机构的批准。

《纽约时报》说，尽管中美两国之间存在着紧张关系，但两国经济仍然高度关联，依赖彼此的供应链、技术和投资资金。对英特尔来说，中国既是一个主要的市场，也是一个主要的业务所在地：2022年，该公司在中国雇佣1.2万多名员工，收入超过170亿美元，约占其全球总收入的27%。

【天津大学成功研发高性能毫米波芯片套片 实现从“跟跑”到“领跑”的突破】

近日，天津大学微电子学院博士生创业团队“芯灵科技”成功研发高性能5G多频段多标准兼容毫米波芯片套片。该芯片套片在国际上率先实现多频段多标准融合，实现5.5G/6G国际通信标准中主流通信的多频段多标准覆盖。

5G通信正成为人们生活的重要组成部分，对5.5G/6G基站和手机而言，高速率、高容量、低延时的毫米波芯片是不可或缺的技术“心脏”。天津大学微电子学院博士生创业团队“芯灵科技”基于标准商用硅工艺，成功研制高性能5.5G/6G全频段毫米波芯片套片。

该芯片套片突破多项关键技术。“这一系列引领性技术创新和研发成果，将有助于我国在5.5G/6G毫米波通信领域摆脱依赖进口的局面，实现从‘跟跑’到‘领跑’的突破。”该团队学生负责人王志鹏说。

审核编辑 黄宇