一种可穿戴的、独立的电化学传感系统

时间:2020-04-17 20:59 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

一种可穿戴的、独立的电化学传感系统

在一项发表在《科学进展》杂志上的新研究中,赵一超和美国生物电子、材料和工程一体化研究小组设计了一种一次性、独立的电化学传感系统(FESS)。FESS使他们能够实现一个系统级的设计策略,以解决运动状态下可穿戴生物传感器面临的挑战,并实现与消费电子产品的无缝集成。该团队开发了一款支持国际象棋的智能手表,它具有汗液采样、电化学传感和数据显示或传输等功能,并安装在一个独立的可穿戴平台上。研究小组使用fess智能手表来监测在久坐和高强度运动环境下个人的汗水代谢情况。

物联网(IOT)基础设施可用于可穿戴消费类电子产品,以最小的用户干预获取生理相关数据,从而转变个性化和精准医疗。科学家们通常在商业可穿戴平台上使用物理传感器来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传感表面来锁定非侵入性提取体液(如汗液)中的生物标记分子。为了实现这一点,精确地设计从皮肤到读出单元的信息传递途径是至关重要的。对于电化学传感,信息传递途径必须在微流控结构中采样并将富含生物标志物的生物流体传递到传感器表面,然后通过互连元件将信号传递到读出电子器件。信号必须在运动诱导的应变下沿这条通路维持。

一种可穿戴的、独立的电化学传感系统

在这项工作中,Zhao等人开发了独立式电化学传感系统(FESS),并使用没有刚性连接器的双面粘合力将其附着在皮肤和电子元件上。FESS采样并引导表皮提取生物液体用于电化学传感,然后通过应变隔离路径将其传输到读出电子设备。他们将FESS集成到定制的智能手表中,用于汗液感应、采样、电化学传感、信号处理和数据显示或传输。结果显示高保真的信号转导和强健的机械接触人体皮肤没有限制用户的行动。独立式传感系统可以与未来的可穿戴电子设备相连接,根据用户的日常活动生成高保真的健康和健康相关数据集。

为了创建有效的生物通路,Zhao等人选择了整合素这种细胞黏附分子,它可以有效地实现细胞内外基质之间的生理信息交换。FESS器件通过微流控结构中的应变隔离区实现了类整合素功能。他们将FESS设计成一种垂直导电的双面胶和柔性微流体生物分析薄膜系统,该薄膜系统由多个垂直堆叠的薄膜组成。这些薄膜包括粘接各向异性导电膜(ACF)、贵金属电极阵列膜、生化膜、微流控膜和皮肤粘接膜。他们把完整的薄膜系统贴在没有连接器和最小接触电阻的读出电子器件上,以潜在地将任何电接触转变成化学或生物传感器。该团队开发了一款原理验证、自带生物标记传感功能的智能手表,该手表带有FESS功能,可以监测久坐和高运动环境下个人的汗液代谢情况。

一种可穿戴的、独立的电化学传感系统

在这个装置中,ACF的垂直电导率促进了平面外信号的相互连接,从而避免了不希望的身体运动对信号通路造成的应变影响。研究小组对FESS的机械粘附性能进行了表征,以确保FESS与电子元件之间的粘附力高于FESS与干燥或出汗的皮肤之间的粘附力。该团队测试了在印刷电路板上从FESS上剥离ACF层所需的力,结果显示,与电子器件之间有很强的基于FESS的互连,适合在身体上应用。

赵等人随后测试了FESS的信号转导能力。他们在ACF上描绘贵金属电极以实现生化-电信号转导,然后沉积生化膜以分析感兴趣的生物分子目标。他们测试了金属图案的ACF在两个常用的电极表面上的电化学活性,即未改性金(Au)和铂(Pt)纳米修饰金(Au)。研究中采用的电分析方法提供了从样本到应答的生物标志物读数,以便实时了解汗液生物成分的变化。

一种可穿戴的、独立的电化学传感系统

在接下来的几个实验中,研究团队展示了FESS在用户日常活动中监测生物标志物的能力。为了实现这一目标,他们将FESS集成到一个定制开发的智能手表中,作为一个物联网模型设备,该设备包含模拟/数字电路、蓝牙收发器和液晶显示屏(LCD),用于系统级功能,包括信号和用户命令处理、显示和无线数据通信。这款基于fess的智能手表的表现与恒电位器类似。科学家们将完整的智能手表贴在皮肤上,没有外部的包装或固定装置,作为一个独立的单元进行无线生物标志物检测。LCD屏幕显示生物标志物测量的实时读数和时间剖面,同时蓝牙接收器将读数转发到一个定制开发的移动应用程序,将数据上传到云服务器,以便进一步分析。

该团队将基于fess的智能手表附着在受试者的前臂上,以显示其作为可穿戴系统的功能,以监测生物标志物。受试者可以无线控制设备,根据用户的日常生活进行实时、基于出汗的生物标志物测量。用户在食用混合食物之前或之后监测他们的汗水葡萄糖水平,智能手表的读数显示食物摄入后的汗水葡萄糖水平升高,与之前的趋势一致。这款智能手表还提供了用户在野外跑步时的汗液乳酸读数信息,尽管涉及到高频率和高加速度的身体运动,但结果是一致的。

一种可穿戴的、独立的电化学传感系统

通过这种方式,赵一超和同事们检测了生物标志物信息传递途径,识别出微流体传感模块内的近零应变区域,从而设计出一条应变隔离路径,以保持生物标志物数据的保真度。薄膜系统形成了独立的FESS实体,其生物灵感来自于用于信号转导和信号连接的类整合素功能。FESS有效地连接皮肤和读出电子信号以获取生物标记信息。该团队将FESS系统与一款定制开发的智能手表无缝连接起来,作为可穿戴生物传感器,监测用户日常生活中的实时生物标志物读数。为了将这项工作中开发的原型商业化,赵等人提出了未来的临床试验,以绘制基于汗液的生物标志物读数,并获取使用者生理状态的信息。这项工作的优点,包括与可穿戴电子设备的轻松集成和高保真度读数,可以用于进行大规模的临床调查。

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