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                                    科学研究||聚焦前沿——可穿戴传感器最新系列进展

                                    作者:广州钰芯传感科技有限公司 浏览: 发表时间:2022-09-05 18:53:52
                                    图片

                                    可穿戴设备通过利用各种物理、化学和生物传感器以无创或微创方式实时(最好是连续地)挖掘生理(生物物理和/或生化)信息,为临床诊断提供了替代途径。
                                    这些传感器可以以眼镜、珠宝、面罩、手表、健身带、纹身类设备、绷带或其他贴片和纺织品的形式佩戴。智能手表等可穿戴设备已经证明了它们能够通过生物物理信号早期检测和监测各种疾病的进展和治疗,例如 COVID-19 和帕金森病。下一代可穿戴传感器能够实时和连续地对物理参数和生化标记进行多模式或多路复用测量,这可能是一种变革性的诊断技术,可以对患者个人的健康状况进行高分辨率和时间分辨的历史记录。


                                    *图源:北京世联博研
                                    不过,目前已经商业化的可穿戴设备主要实现心电图(ECG)和光电容积图(PPG)测量心率,分别属于电化学和光学生物传感器类型。
                                    除了这两类传感器,可穿戴设备其实还有一类更具价值的生物传感器。生物传感器通过无创测量体液中的生化标志物来反映生理状态。这些生物标志物主要包括汗液、泪液、唾液和间质液,以及体液中的代谢物、细菌及激素等。

                                    可穿戴生物传感器在医疗应用上前途无量,但在大规模商业化之前,还有很多问题需要解决。接下来让我们聚焦前沿,了解目前最新的可穿戴生物传感器的研究现状及发展情况。

                                    庄松林院士新进展

                                    上海理工大学超精密光学制造团队盛斌副教授领导的柔性器件研究小组在柔性可穿戴传感器研究方面取得系列研究成果,已在《传感器与执行器B:化学》(Sensors and Actuators B: Chemical)、《软物质》(Soft Matter)、《纳米尺度》(Nanoscale)、《美国化学学会应用材料与界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)等国际期刊发表多篇高水平学术论文。
                                    *Sensors and Actuators B: Chemical
                                    近日该研究团队以“一种用于压力、湿度和温度传感的隧道裂纹展宽增敏导电海绵”(Improved sensitive conductive sponge sensors with tunnel-crack broadening for pressure, humidity and temperature sensing application) 为题发表于国际权威传感器学术刊物《传感器与执行器B:化学》(化学大区1区,影响因子7.460)上。
                                    该研究提出了一种简单酸蚀扩展三维导电海绵纳米裂纹宽度的新方法,可显著提高传感器压力、湿度和温度传感的灵敏度。研究者首先在柔性聚氨酯海绵上采用离子溅射法制备镍导电海绵样品,然后进行机械压缩和酸蚀,从而进一步提高传感灵敏度,并指明了传感器宏观电阻变化与平均纳米裂缝宽度变化之比(ΔR/Δd)以及隧道初始裂缝宽度近似成指数关系的工作规律。柔性传感器对压力、湿度及温度等参数均表现高敏感性,其压阻灵敏度为257.5 kPa-1,提升幅度是未酸蚀样品的3000倍以上;同样,简单的酸蚀作用可以使湿度和温度灵敏度分别提高46000倍(69.96 kΩ/1%RH)和41(TCR=1.770 C-1)。

                                    *部分工艺示意图

                                    该柔性传感器在宽工作范围内具有高灵敏度以及超低检测极限,可以对包括脉搏、呼吸、出汗等不同生理信号进行实时监测,并可应用于智能开关、电子皮肤等智能设备。传感器更高的灵敏度可以实现对生理信号更高的监测精度,发现更小的信号波动从而可以对信号进行更精细判断和匹配,进一步提升可穿戴传感器的监测准确性。同时,该多功能柔性传感器经过组合和处理后可以进一步提高传感器集成度、降低制作成本,有助于实时监测人体健康状况,具备广阔的应用潜力。

                                    *新型多功能柔性传感器的应用举例

                                    东京大学研究团队开发SERS传感器

                                    东京大学研究团队开发低成本可穿戴SERS传感器,可用于检测人体汗液和药物滥用,“表面增强拉曼光谱(SERS)技术未来或可用于血糖监测和病毒检测”。

                                    *来源:风闻社区

                                    该研究成果发表在6月22日的Advanced Optical Materials杂志,题为“高度可扩展、可穿戴的表面增强拉曼光谱”(Highly Scalable, Wearable Surface-Enhanced Raman Spectroscopy)。
                                    拉曼技术对可穿戴生物监测具有重要意义,因为它们拥有无需分子标记即可进行灵敏和多路化学分析的能力。困难在于,生物系统的固有的拉曼信号较为微弱,需要将目标分子结合到合适的底物上,以放大拉曼响应。
                                    研究团队选择了黄金作为基底。金是一种已知可有效用作SERS基底的材料,多个研究项目已经研究了在实际SERS平台中使用金属的不同方法。

                                    *来源:财经涂鸦


                                    这种可穿戴传感器由纳米网格状的PVA纤维制成,在纤维上覆盖150纳米的金层,将涂覆的纤维纳米网附着到目标表面(例如人体皮肤),然后用水将 PVA 溶解掉,只留下完整的金纳米网在目标表面。

                                    纳米线的尖锐边缘作为局部SERS效应的“热点”(Hot spot),研究人员通过减小纳米线的直径来优化单位体积中的热点数量,同时保持足够的机械强度以实现耐磨性。
                                    在概念验证试验中,志愿者佩戴该贴片,并暴露在不同的化学物质中,然后用商用785纳米拉曼光谱仪进行检测。实验证明,该系统能够检测尿素和抗坏血酸等生物分子,并识别水中的微塑料污染。还可以检测到常见的滥用药物,以及应用于执法。

                                    该系统目前需要外部光源和光谱仪配合使用,但研究人员未来将把半导体纳米激光器和纳米光谱仪通过直接键合的方式,集成到可穿戴式SERS传感器中。

                                    专家评述

                                    近日,哈佛大学James J. Collins教授和弗赖堡大学Can Dincer教授等发表了评述性论文,详细介绍了可穿戴传感器领域的最新发展,特别关注传感、决策和电源单元,以建立可穿戴设备的设计和实施框架。在研究可穿戴传感器的各种构建模块时,作者还会分析当前趋势、讨论挑战并提供建议,以确立该领域在未来十年如何发展以改变医疗保健的愿景。

                                    *End-to-end design of wearable sensors

                                    相关综述文章以“End-to-end design of wearable sensors”为题发表在Nature Reviews Materials上。

                                    未来展望

                                    可佩戴式生物传感器的成功转化以及概念验证在商业市场上面临着与其基本操作功能相关的几个障碍。首先,可穿戴设备必须克服在不受控制的条件下长时间工作造成的稳定性问题。采样生物体液成分造成的生物污染、以及生物识别组分本身固有的不稳定性。

                                    *图源:动脉网

                                    完全集成化的可穿戴生物传感平台需要结合具有供电的无线电子设备,以便数据处理和信号的安全传输。此外,移动终端和基于智能手机的显微镜的使用,以及基于算法应用的引入,有望促进光学可穿戴生物传感器响应的读出。考虑到上述所有挑战,我们对可穿戴生物传感器技术如何改善我们的健康和性能的了解才刚刚开始。

                                    鉴于可穿戴式生物传感器的竞争研究和巨大的商业机会,我们期待该行业在不久的将来出现令人兴奋的新发展。因此,可穿戴传感器市场预计将继续快速增长,并继续其改变和改善人们生活的轨迹。

                                    柔性叉指电极


                                    钰芯智能科技专注于电化学精准分子检测领域,主要研究方向包括电化学电极与芯片,并将其应用于生物医疗等领域。在可穿戴传感器的发展方面,钰芯智能科技也积极响应社会需求,推出了多款柔性叉指电极。


                                    该款电极以PET为基底,利用PET具有可弯曲可拉伸的特性,生产出的电极可紧密贴合人体皮肤,现被广泛应用于人体可穿戴设备、人体体液分子检测等。

                                    柔性基材

                                    柔性基材,柔软可弯曲,贴合人体皮肤。


                                    透明高分子材质

                                    pet透明基底,更高透明度,反应过程可视化。


                                    高精密叉指结构

                                    高精密微间距叉指结构,反应速率快,灵敏度高。


                                    高稳定

                                    纯金表面,电化学性能稳定,检测数据重复性好。


                                    高灵敏度

                                    叉指长宽比大,反应速率快。


                                    如需购买电化学工作站或叉指电极,可长按扫描下方“钰芯翰吉”小程序码,就可在线上下单购买。如有任何疑问可在线咨询客服▼

                                    服务热线:020-29886536

                                    电话:18620993681

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                                    “关注生活,关注钰芯智能科技”。如果你有好的想法和建议,或者其他疑问,欢迎联系我们:market@www.dejanacimovic.com,也可登录官网了解我们。


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