Yichao Zhao在《Science Advances》上發(fā)表的一項新研究，他和美國集成生物電子，材料與工程研究團隊設計了一種一次性的獨立式電化學傳感系統(tǒng)（freestanding electrochemical sensing system, FESS）。FESS使他們能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)級設計策略，以解決運動中可穿戴生物傳感器的挑戰(zhàn)，并實現(xiàn)與消費電子產(chǎn)品的無縫集成。該團隊開發(fā)了一款具有FESS功能的智能手表，該手表在獨立的可穿戴平臺內(nèi)具有汗液采樣、電化學感應以及數(shù)據(jù)顯示和傳輸功能。該團隊使用FESS-smartwatch來監(jiān)視久坐和高強度運動環(huán)境中個體汗液代謝產(chǎn)物的概況。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）基礎結構可用于可穿戴式消費電子產(chǎn)品，以最少的用戶干預收集生理相關數(shù)據(jù)，從而轉(zhuǎn)變?yōu)閭€性化和精密醫(yī)學所需的數(shù)據(jù)?？茖W家通常在商業(yè)可穿戴平臺中使用物理傳感器跟蹤用戶的身體活動和生命體征。然而，為了深入了解人體的動態(tài)化學，研究人員需要電化學感應表面來無創(chuàng)回收體液（例如汗液）中的生物標記分子。為此，精確設計從皮膚到讀出單元的信息傳遞途徑至關重要。對于電化學感測，信息傳遞途徑必須以微流體結構對富含生物標志物的生物流體進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傳導至讀出電子設備。在存在運動引起的應變的情況下，必須沿該路徑保持信號。

在這項工作中，Zhao等人開發(fā)了獨立式電化學傳感系統(tǒng)（FESS），并使用雙面粘合力將其同時粘附到皮膚和電子設備，而無需使用剛性連接器。FESS進行表皮采樣和定向回收用于電化學傳感的生物流體，然后通過應變隔離途徑路由至讀出電子設備。他們將FESS集成到定制的智能手表中，以進行汗水感應、采樣、電化學感應、信號處理以及數(shù)據(jù)顯示或傳輸。結果表明，在不限制用戶運動的情況下，實現(xiàn)了高保真信號轉(zhuǎn)導和與人體皮膚的牢固接觸。獨立式傳感系統(tǒng)可以與未來的可穿戴電子設備鏈接，以根據(jù)用戶的日常活動生成有關的健康數(shù)據(jù)。

獨立式電化學傳感系統(tǒng)設計原理、模型和應用

為了創(chuàng)建有效的生物途徑，Zhao等人選擇的是整聯(lián)蛋白，一種細胞粘附分子，可有效地在細胞內(nèi)和細胞外之間進行生理信息交換。他們將FESS設計為垂直導電的雙面膠和由多個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)換為化學或生物傳感器。該團隊使用FESS開發(fā)了原理證明、自成一體的生物標記物感應智能手表，以監(jiān)測久坐不動者的汗液代謝產(chǎn)物情況。

在這種設置中，ACF的垂直電導率促進了平面外信號互連，從而避免了人體運動引起的不希望的信號路徑應變效應。該團隊對FESS的機械粘合特性進行了表征，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。該團隊測試了將ACF層從印刷電路板上的FESS剝離所需的力，結果顯示了基于FESS的牢固的電子互連，適用于人體應用。

Zhao等人測試了FESS的信號傳導能力。他們在ACF上圖案化了貴金屬電極，以實現(xiàn)生化至電信號的轉(zhuǎn)導，然后沉積生化膜以分析感興趣的生物分子靶標。他們測試了金屬圖案化ACF在未經(jīng)修飾的金（Au）和鉑（Pt）納米粒子修飾的Au上兩個常用電極表面的電化學活性。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記物讀數(shù)，以實時了解汗液生物成分的變化。

在接下來的幾個實驗中，研究小組展示了FESS在用戶的日?；顒又斜O(jiān)視生物標志物的能力。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，藍牙收發(fā)器和液晶顯示屏（LCD）屏幕的IOT設備，用于系統(tǒng)級功能，包括信號和用戶命令處理，顯示和無線數(shù)據(jù)通訊?；?span>FESS的智能手表的性能類似于恒電位儀?？茖W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記物感應為一個獨立的單元。LCD屏幕顯示生物標志物測量值的實時讀數(shù)和時間曲線，而藍牙接收器將讀數(shù)中繼到定制開發(fā)的移動應用程序，以將數(shù)據(jù)上傳到云服務器以進行進一步分析。

該團隊將基于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)控生物標志物。受試者可以無線控制該設備，以進行相對于用戶的日?；诤挂旱纳飿酥疚餃y量。使用者在進食混合膳食之前或之后監(jiān)測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，這與以前的趨勢一致。該智能手表還為用戶提供了在田間跑步時汗液讀數(shù)的信息，盡管涉及高頻和基于高加速度的身體運動，結果仍是一致的。

FESS有效地連接了皮膚并讀出電子設備，以收集生物標記信息。該團隊將FESS系統(tǒng)與定制開發(fā)的智能手表無縫地結合在一起，作為可穿戴生物傳感器，可在用戶的日常工作中監(jiān)控實時生物標記讀數(shù)。為了使在這項工作中開發(fā)的原型商業(yè)化，Zhao等人提出未來的臨床試驗，以繪制基于汗液的生物標志物讀數(shù)，并獲得有關用戶生理狀態(tài)的信息。