加州理工学院高伟Nature Electronics：可穿戴生物传感器！

可穿戴生物传感器

可穿戴设备的开发和采用使得持续监测身体生命体征以及生化标记成为可能。例如，可穿戴生物传感器可用于连续和非侵入性分析体液，如汗液，其中包含与疾病诊断和健身追踪相关的丰富信。多种电化学传感策略，包括电流法、电位法、伏安法和阻抗谱法，已被用于检测汗液生物标志物（如电解质、代谢物、营养素、药物和激素）和出汗率（可能与分泌的生物标志物水平密切相关）。除了在剧烈运动中进行实际的健康监测外，可穿戴生物传感器还可以通过离子电渗（一种局部久坐的汗液刺激技术）稳定地提取汗液。然而，由于多模式系统小型化和集成依然存在着挑战，对能够自主汗液诱导和采样、实时出汗率监测和连续多路生物标志物分析的可穿戴系统的开发仍然十分有限。

可穿戴器件（来源：网络）

自主型可穿戴器件

近期，加州理工学院高伟助理教授和约翰·开普勒大学Martin Kaltenbrunner等人报道了一种由钙钛矿太阳能电池供电的自主可穿戴生物传感器，它可以提供连续和无创的代谢监测。该设备使用柔性准二维钙钛矿太阳能电池（FPSC）模块，可在室外和室内照明条件下提供充足的功率（在室内光照下功率转换效率PCE超过31%）。研究表明，该可穿戴设备可以连续收集室内外体育活动中的多模式物理化学数据——葡萄糖、pH、钠离子、出汗率和皮肤温度，并且持续时间超过12小时。相关工作以“An autonomous wearable biosensor powered by a perovskite solar cell”为题发表在Nature Electronics。

【文章要点】

为了有效和可持续地为可穿戴设备供电，作者所设计的FPSC模块具有高功率密度和高PCE的特点，可在不同的照明条件下收集能量，并且具有承受人体佩戴常见机械应力的灵活性，以及具有可靠封装防止汗液暴露的稳定性能。为此，FPSC器件采用p–i–n结构，包括涂有氧化铟锡（ITO）的柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、Cr/Au母线、聚（3，4-亚乙基二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）空穴传输层、准2D钙钛矿光活性层、[6，6]−苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）电子传输层、TiOx夹层、，Cr/Au触点和环氧树脂/聚氯乙烯（PVC）/聚氯三氟乙烯封装。其中，钙钛矿吸收层（~450 nm厚）为（MBA）2（Cs0.12MA0.88）6Pb7（IxCl1–x）22，是该装置的核心。而有机间隔物则选择α-甲基苄胺（MBA），有助于形成具有大晶粒尺寸和改进的缺陷钝化的准2D钙钛矿结构，从而产生优异的器件性能。在模拟太阳光照（AM1.5G）下，在有效面积小至0.165 cm2的条件下电池实现了高达18.1%的PCE；而对于大面积器件（1.000 cm2）来说，PCE的效率也仍有16.5%；对于由两个串联连接的大电池组成的模块（总有效面积，2.000 cm2）来说则有14.0%的PCE（（图1）。

图1 FPSC的设计表征

如图2所示，可穿戴设备由以折纸方式组装的一次性和可重复使用的模块组成。可重复使用的部件包括将环境光转换为电力的高效准2D FPSC模块（如上所述），以及用于电化学仪器、信号处理和蓝牙无线通信的节能柔性印刷电路板。此外，该设备还含有日常一次性柔性贴片，其包含了一对用于汗液刺激的卡巴胆碱水凝胶（卡巴格尔）涂层离子电渗电极，一个用于汗液采样和汗液速率监测的叉指电极集成的激光雕刻微流体模块，以及一个用于分子分析的多路电化学汗液生物传感器阵列。

图2 可穿戴系统的构成

研究显示，该可穿戴设备可在从全阳光到室内照明的各种照明条件下工作。它由一个高效的2平方米有源面积轻型准二维（2D）FPSC能量采集模块提供动力，在AM1.5G照明下，PCE可达到14.00%，而在600lx的室内白光发光二极管（LED）灯泡照明下的PCE甚至可高达29.64% 。该传感平台可用于连续收集室内外体育活动的多模式物理化学数据（葡萄糖、pH、钠离子（Na+）、出汗率和温度），持续时间超过12  h（图3）。

值得一提的是，微流体离子电渗汗液处理模块能够实现长时间的可监测流速的汗液提取。这使得汗液生物传感可以应用于无需剧烈运动的情况，即正常的日常活动以及行动障碍患者的使用。速率监测的持续汗液流不断刷新传感器储库，以进行准确的生物标志物测量；而且通过皮肤温度、汗液pH和汗液Na+等个性化因素还能实时校准传感器响应，进一步提高测量精度。

图3 汗液监测分析

结论与展望

作者认为，这项技术的未来发展将包括提高传感器贴片的长期稳定性，并在大规模人体试验中研究汗液/血液生物标志物水平之间的相关性。基于广泛的电化学检测机制（电位测定法、电流测定法、伏安法和阻抗测定法），可穿戴设备还可以与不同的生物传感器配对，用于识别无数的目标生物标志物。此外，潜在的应用领域包括体育科学和日常跟踪，以及对有健康状况或障碍的人的护理。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41928-023-00996-y

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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