【摘 要】
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用于建立身体电相互作用的新兴多功能柔性传感器(如电子皮肤)是许多研究人员正在研究的最重要方向之一。各种新型的多功能柔性电子皮肤可应用于未来的医疗检测服务中,如血糖,血压,动脉硬化,心率,电解质平衡,体温,呼吸频率等等。这些可穿戴电子皮肤可以实现个人生理代谢指标实时监测,并将个人健康状况的持续检测作为一种新的个性化医疗手段。其中,多样化的可穿戴无创汗液分析生物传感器已经被研究出来用于精确测量人体生理
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用于建立身体电相互作用的新兴多功能柔性传感器(如电子皮肤)是许多研究人员正在研究的最重要方向之一。各种新型的多功能柔性电子皮肤可应用于未来的医疗检测服务中,如血糖,血压,动脉硬化,心率,电解质平衡,体温,呼吸频率等等。这些可穿戴电子皮肤可以实现个人生理代谢指标实时监测,并将个人健康状况的持续检测作为一种新的个性化医疗手段。其中,多样化的可穿戴无创汗液分析生物传感器已经被研究出来用于精确测量人体生理状态。它不仅可以避免传统的有创血液采样的方法,还可以从汗液分泌复合物中提取检测来自不同生物标志物的有用信息。为了进一步发展可穿戴无创的汗液分析生物传感器,下一代传感器还应该具有以下几个特点。(1)具有良好的柔性和机械灵活性,能够通过在皮肤表面上工作从而与身体融合(不像一些口袋医疗电子产品);(2)具有良好选择性,可以同时有选择性地测量不同的分析物(如葡萄糖,乳酸,钠离子,钾离子,皮肤温度等);(3)关键是实现长期稳定工作,并摆脱传统电池的对可穿戴电子皮肤体积的限制。此外,在人体汗液中,生物分子和无机盐含有大量丰富的生理信息,并且汗液和血液有一定的组织渗透相关性,可以通过分析排汗成分实现个人疾病采样和生理状态分析。综上,在本文中,我们提出了一种基于酶/ZnO纳米阵列压电生物传感单元用于汗液分析的自供电可穿戴无创电子皮肤。通过在ZnO纳米棒表面修饰不同种类酶,包括LOx(乳酸氧化酶),GOx(葡萄糖氧化酶),尿酸酶和脲酶来检测人体汗液中的乳酸,葡萄糖,尿酸,尿素的浓度变化。这种电子皮肤通过人体运动产生的机械能转化成脉冲压电信号,可同时作为电子皮肤的供电来源和生物传感信号。其工作机制主要归因于ZnO纳米棒的压电-酶促反应耦合过程。电子皮肤可以附着在跑步者的额头,实现实时/持续生理状态监测。这种研究方法指出了一种新型自供电多功能电子皮肤的发展方向。具体方法如下:(1)制备自供电可穿戴生物传感电子皮肤:首先,利用简单的化学水热法在钛片上合成竖直生长的ZnO纳米棒阵列。其次,将ZnO纳米棒转移到柔性Kapton基底上,并且保持纳米棒排列方向一致。最后,通过光刻、显影等技术将设计好的器件阵列结构刻在基底上,用电子束蒸发沉积金属钛电极。其中,氧化锌纳米棒的长度大约为12μm,两根对电极之间的距离为5 μm,相邻不相干电极之间的距离是大约20 μm,这样可以保证氧化锌纳米棒只能搭在插齿电极上。(2)汗液探测分析:ZnO的压电特性和生物酶的酶促反应相结合,使得自供电可穿戴生物传感电子皮肤具有汗液探测分析功能。在身体机械力作用下,电子皮肤可以通过ZnO纳米棒阵列的压电效应主动输出电脉冲。电子皮肤的四个传感单元分别修饰乳酸氧化酶、葡萄糖氧化酶、尿酸氧化酶和脲酶,在压力作用之下输出电压受酶促反应的影响,随着探测环境中的生物标记物浓度的增加,电子皮肤的压电输出逐渐减小。(3)无创汗液检测电子皮肤的应用:我们将可穿戴汗液分析电子皮肤贴附在跑步者的皮肤不同位置用于其监测生理状态,通过手指按压或者关节弯曲可以为器件提供一个稳定持续的压力,每一个压电生物传感单元都能产生压电生物传感信号。之后我们选择一位测试者对自供电可穿戴汗液分析电子皮肤进行实际汗液探测分析。将电子皮肤贴附在跑步者额头使其在跑步机上变速跑然后选取收集不同阶段的汗液样品进行探测分析。
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