科學家開發出一次性且獨立的電化學傳感系統

　　3月27日消息，一項發表在《科學進展》雜志上的新研究表示，趙一超和美國生物電子學、材料與工程綜合研究團隊設計了一種一次性的、獨立的電化學傳感系統（FESS）。FESS使他們能夠實現系統級設計策略，以解決運動中可穿戴生物傳感器的挑戰，并實現與消費電子產品的無縫集成。該團隊還開發了一款具有FESS功能的智能手表，該手表在獨立的可穿戴平臺內具有汗液采樣、電化學感應以及數據顯示或傳輸功能，該團隊使用FESS智能手表來監測久坐和高強度運動環境中個體汗液代謝產物的分布。

FESS設計原理、實施和應用。

一、FESS可在運動狀態下精準監測人體生理數據

　　物聯網（IOT）基礎設施可用于可穿戴消費電子產品，通過在用戶干預最小的情況下獲取生理相關數據，從而轉變個性化和精密醫學。科學家通常在商用可穿戴平臺上使用物理傳感器來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化學，研究人員需要電化學傳感表面，將生物標記分子定位在非侵入性回收體液（如汗液）中。為了實現這一點，精確設計從皮膚到讀出單元的信息傳遞路徑至關重要。對于電化學傳感，信息傳遞途徑必須以微流控結構將富含生物標志物的生物流體采樣并傳遞到傳感器表面，然后通過相互連接的元件將信號傳遞到讀出電子設備。在存在運動引起的應變情況下，必須沿該路徑并保持信號。

　　生物激勵的原位傳感和信號互連。

　　在這項工作中，研究人員開發了獨立式電化學傳感系統（FESS），并在不使用剛性連接器的情況下，利用雙面粘附力將其同時粘附到皮膚和電子設備上。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、信號處理以及數據顯示或傳輸。結果表明，在不限制用戶運動的情況下，具有高保真的信號傳導和與人體皮膚的牢固機械接觸。獨立式傳感系統可以與未來的可穿戴電子設備鏈接，以根據用戶的日常活動生成與高保真度有關的健康數據。

二、FESS利用整合素創建有效的生物信息交換

　　為了創建有效的生物途徑，研究人員選擇一種細胞粘附分子——整合素，可有效地在細胞內和細胞外基質之間進行生理信息交換。FESS裝置通過微流體結構中的應變隔離區域實現了整合素樣功能。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。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換為化學或生物傳感器。該團隊使用FESS開發了原理證明、自成一體的生物標記物感應智能手表，以用于監測久坐和高運動環境下個人的汗液代謝物分布。

　　應變隔離信號互連的FESS應變模擬與表征。

　　在該裝置中，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與電子產品之間的粘合力高于FESS與干性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，非常適合在人體上應用。

三、實驗檢測FESS信號轉導與生物標記能力

　　研究人員然后測試了FESS的信號轉導能力。他們將貴金屬電極圖案化到ACF上，以實現生物化學到電信號的傳遞，然后沉積生物化學薄膜來分析感興趣的生物分子目標。他們測試了金屬圖案化ACF在未修飾金（Au）和鉑（Pt）納米粒子修飾金（Au）上兩種常用電極表面的電化學活性。本研究中所研究的電分析方法提供了回答生物標記物讀數的樣本，以實時了解汗液生物復合物的變化。

　　機械變形后ACF基互連電阻測試。

　　在接下來的幾個實驗中，研究小組展示了FESS在用戶日常活動中監測生物標記物的能力。為了實現這一目標，他們將FESS集成到一個定制開發的智能手表中，作為包含模擬/數字電路的物聯網模型設備、藍牙收發器和用于系統級功能（包括信號和用戶命令處理、顯示和無線數據通信）的液晶顯示屏。基于FESS的智能手表的性能與恒電位儀類似。科學家們將完整的智能手表貼在皮膚上，沒有外部包裝或固定裝置，作為一個獨立的單元用于無線生物標記物傳感。液晶屏顯示生物標記物測量的實時讀數和時間剖面，而藍牙接收器將讀數轉發給定制開發的移動應用程序，以便將數據上傳到云服務器以進行進一步分析。

　　研究小組將基于FESS的智能手表貼在受試者的前臂上，以顯示其作為監測生物標記物的可穿戴系統的功能。受試者可以通過無線方式控制設備，根據用戶的日常生活進行實時、基于汗液的生物標記物測量。用戶在進食混合食物之前或之后監測他們的出汗葡萄糖水平，智能手表的讀數顯示，進食后出汗葡萄糖水平升高，與以前的趨勢一致。此外，智能手表還為用戶提供了在野外跑步時的出汗乳酸讀數信息，盡管參與了基于高頻和高加速度的身體運動，但結果是一致的。

　　定制開發的FESS集成智能手表，用于車身應用。

　　通過這種方式，該團隊檢查了生物標記物的信息傳遞途徑，并識別出微流體傳感模塊內的近零應變區域，從而設計出應變隔離路徑，以保持生物標記物數據的保真度。形成獨立FESS實體的薄膜系統受到整合素樣功能的生物啟發，通過雙面粘附進行信號轉導和信號互連。FESS有效地橋接皮膚并讀取電子信息以獲取生物標記物信息。該團隊將FESS系統與定制開發的智能手表無縫結合，作為一個可穿戴的生物傳感器，在用戶的日常生活中監控實時生物標記物讀數。為了將這部作品中開發的原型商業化，研究人員提出未來的臨床試驗，以繪制基于汗液的生物標記物讀數，并獲取用戶生理狀態的信息。這項工作的優點，包括易于與可穿戴電子設備集成和高保真讀數，可用于進行大規模臨床研究。