Nat Electron：一種由鈣鈦礦太陽能電池供電的自主可穿戴生物傳感器

jiojio 1個月前 (09-01) 718瀏覽

一、 【導讀】?

近年來，個性化和遠程醫療的趨勢推動了可穿戴設備的發展，可以持續監測生理指標和生化標志物。這些可穿戴生物傳感器有望用于連續、非侵入性地分析汗液等體液，其中蘊含了對疾病診斷和健身追蹤非常重要的信息。多種電化學傳感方法被用于檢測汗液中的生物標志物和流速。然而，由于微型化、集成以及能耗等挑戰，能夠自主誘導和采樣汗液、實時監測汗液流速以及連續多重生物標志物分析的可穿戴系統的發展仍受限。當前的可穿戴傳感器通常依賴體積龐大、不可持續的電池作為電源，并需要外部電源充電。盡管探索了生物燃料電池和摩擦發電納米發電機等能量收集策略，但它們在穩定性和功率密度方面面臨問題。

二、【成果掠影】

最近，加州理工學院高偉教授和林茨大學Martin Kaltenbrunner教授聯合報道了一種由鈣鈦礦太陽能電池供電的自主可穿戴生物傳感器，可提供持續且非侵入性的代謝監測。該設備采用了柔性準二維鈣鈦礦太陽能電池模塊，在戶外和室內照明條件下提供充足的電力（在室內光照下的轉換效率超過31%）。展示了這款可穿戴設備能夠在室內外活動中持續收集多模態的生物化學數據，包括葡萄糖、pH值、鈉離子、汗液流速和皮膚溫度，持續時間超過12小時。相關成果以 “An autonomous wearable biosensor powered by a perovskite solar cell” 為題發表在Nature Electronics上。

?三、【核心創新點】

這項研究了報道一款由鈣鈦礦太陽能電池供電的自主可穿戴生物傳感器，能持續非侵入性地監測代謝情況，實現了室內外活動中多種生物化學數據的連續采集。

?四、【數據概覽】

圖1 肌膚上環境光驅動的無電池實驗室的示意圖和圖像。? 2023 Springer Nature

  1. 通過準二維薄膜鈣鈦礦太陽能電池在戶外和室內照明條件下供電，實現能源自主的可穿戴設備，并在廣泛的活動范圍內執行多重無線生物分子分析。
  2. 可穿戴設備分層裝配的三維爆炸模型。
  3. 噴墨打印的一次性微流控傳感器貼片的照片，包含用于自主汗液刺激的離子透析模塊、汗液采樣的微流體學、汗液分析的多通路電化學生物傳感器以及阻抗式汗液流速傳感器。
  4. 采用折紙風格組裝的可穿戴設備的照片。
  5. 可穿戴設備佩戴在前臂腹側，并通過BLE與定制開發的移動應用無線連接的照片。

圖2 柔性鈣鈦礦太陽能電池(FPSC)設計與特性分析 ? 2023 Springer Nature

  1. 一個FPSC的照片。
  2. 由兩個單獨的1平方厘米有效面積太陽能電池串聯連接而成的FPSC模塊的三維模型架構。
  3. FPSC的橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
  4. FPSC的外部量子效率（EQE），疊加了標準參考AM1.5G傾斜太陽照明的歸一化發射光譜和室內燈光（2,700K）LED光波譜。
  5. 在室內燈光LED光波照明（2,700K，600勒克斯）下，小尺寸（0.165平方厘米）、大尺寸（1.000平方厘米）和模塊尺寸（2.000平方厘米）FPSC的電流-電壓曲線。
  6. FPSC模塊的功率輸出與光照強度的關系。
  7. FPSC模塊在全日光AM1.5G和室內暖光LED（600勒克斯）照明下24小時內的最大功率點跟蹤。
  8. 在2,000次折彎循環（5厘米彎曲半徑）中，FPSC模塊的歸一化能量轉換效率（PCE）。
  9. FPSC模塊在合成汗液溶液中浸泡并運行24小時時，鉛釋放測試的結果。

圖3 能量收集和自主多模態生物傳感的可穿戴設備的系統設計與特性分析。 ? 2023 Springer Nature

  1. 一次性微流體汗液貼片的示意圖，用于汗液誘導和采樣。
  2. 可穿戴設備的系統級塊圖。
  3. 可穿戴設備的自定義移動應用。
  4. 在不同光強下各種操作模式的功耗剖面（底部）及相應的電容充放電曲線（頂部）。
  5. 可穿戴設備獲得的Nat、pH、葡萄糖（Glu）和汗液流速（SR）傳感器的響應。
  6. 在室內實驗室光（左）和室內燈光（右）照明條件下進行多路測量時的功耗剖面（底部）及相應的電容充放電曲線（頂部）。
  7. 在不同流速（0.12-3.00 微升/分鐘）和實驗室光照（1,200勒克斯）條件下的多路多模態傳感響應。

圖4 可穿戴設備在長時間和跨活動汗液分析方面的身體評估。 ? 2023 Springer Nature

  1. 佩戴在身體上的可穿戴設備的照片。
  2. 在不同照明條件下執行多路汗液生物傳感時，可穿戴設備準二維FPSC模塊的功率輸出和可穿戴設備電子部件的功耗。插圖中的照片顯示了單次離子透析汗液誘導事件后相應的微流控汗液采樣。

c、d. 在禁食狀態（c）和葡萄糖耐量測試后（d），在實驗室光照下對健康受試者進行的可穿戴設備啟用的自主多路生理監測。

e、f. 在禁食狀態下（e）和飲食攝入后（f），在實驗室光照下進行的劇烈運動時的可穿戴設備啟用的多路生理監測。

  1. 在不同光照條件下，使用可穿戴設備進行全天的跨活動生理化學監測。

五、【成果啟示】

總的來說，本研究介紹了一款由準二維FPSC供電的創新可穿戴生物傳感器平臺，該設備能夠持續提取汗液并通過多種電化學技術實時監測生理化學指標。不僅適用于不同光照條件和活動強度，還通過微流控離子透析汗液處理模塊實現了持續流速監測的汗液提取。該技術在穩定性方面仍有改進空間，并具有廣泛的應用前景，包括運動科學、日常追蹤以及關心健康狀況或功能障礙的人群的護理。

 

原文詳情：Min, J., Demchyshyn, S., Sempionatto, J.R. et al. An autonomous wearable biosensor powered by a perovskite solar cell. Nat Electron (2023). https://doi.org/10.1038/s41928-023-00996-y

本文由jiojio供稿

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