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(shè)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(shè)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(yīng)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(chǔ)結(jié)構(gòu)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(guān)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)。科學家通常在商業(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(yīng)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(shè)計從皮膚到讀出單元的信息傳遞途徑至關(guān)重要。對于電化學感測，信息傳遞途徑必須以微流體結(jié)構(gòu)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(shè)備。在存在運動引起的應(yīng)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(shè)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(yīng)變隔離途徑路由至讀出電子設(shè)備。他們將FESS集成到定制的智能手表中，以進行汗水感應(yīng)、采樣、電化學感應(yīng)、信號處理以及數(shù)據(jù)顯示或傳輸。結(jié)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(shè)備鏈接，以根據(jù)用戶的日常活動生成有關(guān)的健康數(shù)據(jù)。

獨立式電化學傳感系統(tǒng)設(shè)計原理、模型和應(yīng)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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(yīng)變效應(yīng)。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(jié)果顯示了基于FESS的牢固的電子互連，適用于人體應(yīng)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。