科学家开发出一次性且独立的电化学传感系统

　　3月27日消息，一项发表在《科学进展》杂志上的新研究表示，赵一超和美国生物电子学、材料与工程综合研究团队设计了一种一次性的、独立的电化学传感系统（FESS）。FESS使他们能够实现系统级设计策略，以解决运动中可穿戴生物传感器的挑战，并实现与消费电子产品的无缝集成。该团队还开发了一款具有FESS功能的智能手表，该手表在独立的可穿戴平台内具有汗液采样、电化学感应以及数据显示或传输功能，该团队使用FESS智能手表来监测久坐和高强度运动环境中个体汗液代谢产物的分布。

FESS设计原理、实施和应用。

一、FESS可在运动状态下精准监测人体生理数据

　　物联网（IOT）基础设施可用于可穿戴消费电子产品，通过在用户干预最小的情况下获取生理相关数据，从而转变个性化和精密医学。科学家通常在商用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，将生物标记分子定位在非侵入性回收体液（如汗液）中。为了实现这一点，精确设计从皮肤到读出单元的信息传递路径至关重要。对于电化学传感，信息传递途径必须以微流控结构将富含生物标志物的生物流体采样并传递到传感器表面，然后通过相互连接的元件将信号传递到读出电子设备。在存在运动引起的应变情况下，必须沿该路径并保持信号。

　　生物激励的原位传感和信号互连。

　　在这项工作中，研究人员开发了独立式电化学传感系统（FESS），并在不使用刚性连接器的情况下，利用双面粘附力将其同时粘附到皮肤和电子设备上。FESS进行表皮采样和定向回收用于电化学传感的生物流体，然后通过应变隔离途径路由至读出电子设备。他们将FESS集成到定制的智能手表中，以进行汗水感应、采样、电化学感应、信号处理以及数据显示或传输。结果表明，在不限制用户运动的情况下，具有高保真的信号传导和与人体皮肤的牢固机械接触。独立式传感系统可以与未来的可穿戴电子设备链接，以根据用户的日常活动生成与高保真度有关的健康数据。

二、FESS利用整合素创建有效的生物信息交换

　　为了创建有效的生物途径，研究人员选择一种细胞粘附分子——整合素，可有效地在细胞内和细胞外基质之间进行生理信息交换。FESS装置通过微流体结构中的应变隔离区域实现了整合素样功能。他们将FESS设计为垂直导电的双面胶和由多个垂直堆叠的薄膜组成的柔性微流体生物分析薄膜系统。这些膜包括粘合各向异性导电膜（ACF）、贵金属电极阵列膜、生化膜、微流体膜和皮肤粘合膜。他们将完整的薄膜系统用胶带粘贴到读出电子设备上，而无需连接器，并且接触电阻最小，可以将任何电接触转换为化学或生物传感器。该团队使用FESS开发了原理证明、自成一体的生物标记物感应智能手表，以用于监测久坐和高运动环境下个人的汗液代谢物分布。

　　应变隔离信号互连的FESS应变模拟与表征。

　　在该装置中，ACF的垂直电导率促进了平面外信号互连，从而避免了人体运动引起的不希望的信号路径应变效应。该团队对FESS的机械粘合特性进行了表征，以确保FESS与电子产品之间的粘合力高于FESS与干性或活跃出汗的皮肤之间的粘合力。该团队测试了将ACF层从印刷电路板上的FESS剥离所需的力，结果显示了基于FESS的牢固的电子互连，非常适合在人体上应用。

三、实验检测FESS信号转导与生物标记能力

　　研究人员然后测试了FESS的信号转导能力。他们将贵金属电极图案化到ACF上，以实现生物化学到电信号的传递，然后沉积生物化学薄膜来分析感兴趣的生物分子目标。他们测试了金属图案化ACF在未修饰金（Au）和铂（Pt）纳米粒子修饰金（Au）上两种常用电极表面的电化学活性。本研究中所研究的电分析方法提供了回答生物标记物读数的样本，以实时了解汗液生物复合物的变化。

　　机械变形后ACF基互连电阻测试。

　　在接下来的几个实验中，研究小组展示了FESS在用户日常活动中监测生物标记物的能力。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，作为包含模拟/数字电路的物联网模型设备、蓝牙收发器和用于系统级功能（包括信号和用户命令处理、显示和无线数据通信）的液晶显示屏。基于FESS的智能手表的性能与恒电位仪类似。科学家们将完整的智能手表贴在皮肤上，没有外部包装或固定装置，作为一个独立的单元用于无线生物标记物传感。液晶屏显示生物标记物测量的实时读数和时间剖面，而蓝牙接收器将读数转发给定制开发的移动应用程序，以便将数据上传到云服务器以进行进一步分析。

　　研究小组将基于FESS的智能手表贴在受试者的前臂上，以显示其作为监测生物标记物的可穿戴系统的功能。受试者可以通过无线方式控制设备，根据用户的日常生活进行实时、基于汗液的生物标记物测量。用户在进食混合食物之前或之后监测他们的出汗葡萄糖水平，智能手表的读数显示，进食后出汗葡萄糖水平升高，与以前的趋势一致。此外，智能手表还为用户提供了在野外跑步时的出汗乳酸读数信息，尽管参与了基于高频和高加速度的身体运动，但结果是一致的。

　　定制开发的FESS集成智能手表，用于车身应用。

　　通过这种方式，该团队检查了生物标记物的信息传递途径，并识别出微流体传感模块内的近零应变区域，从而设计出应变隔离路径，以保持生物标记物数据的保真度。形成独立FESS实体的薄膜系统受到整合素样功能的生物启发，通过双面粘附进行信号转导和信号互连。FESS有效地桥接皮肤并读取电子信息以获取生物标记物信息。该团队将FESS系统与定制开发的智能手表无缝结合，作为一个可穿戴的生物传感器，在用户的日常生活中监控实时生物标记物读数。为了将这部作品中开发的原型商业化，研究人员提出未来的临床试验，以绘制基于汗液的生物标记物读数，并获取用户生理状态的信息。这项工作的优点，包括易于与可穿戴电子设备集成和高保真读数，可用于进行大规模临床研究。