Nat Electron：一种由钙钛矿太阳能电池供电的自主可穿戴生物传感器

jiojio 1年前 (2023-09-01) 2751浏览

一、 【导读】 

近年来，个性化和远程医疗的趋势推动了可穿戴设备的发展，可以持续监测生理指标和生化标志物。这些可穿戴生物传感器有望用于连续、非侵入性地分析汗液等体液，其中蕴含了对疾病诊断和健身追踪非常重要的信息。多种电化学传感方法被用于检测汗液中的生物标志物和流速。然而，由于微型化、集成以及能耗等挑战，能够自主诱导和采样汗液、实时监测汗液流速以及连续多重生物标志物分析的可穿戴系统的发展仍受限。当前的可穿戴传感器通常依赖体积庞大、不可持续的电池作为电源，并需要外部电源充电。尽管探索了生物燃料电池和摩擦发电纳米发电机等能量收集策略，但它们在稳定性和功率密度方面面临问题。

二、【成果掠影】

最近，加州理工学院高伟教授和林茨大学Martin Kaltenbrunner教授联合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，可提供持续且非侵入性的代谢监测。该设备采用了柔性准二维钙钛矿太阳能电池模块，在户外和室内照明条件下提供充足的电力（在室内光照下的转换效率超过31%）。展示了这款可穿戴设备能够在室内外活动中持续收集多模态的生物化学数据，包括葡萄糖、pH值、钠离子、汗液流速和皮肤温度，持续时间超过12小时。相关成果以 “An autonomous wearable biosensor powered by a perovskite solar cell” 为题发表在Nature Electronics上。

 三、【核心创新点】

这项研究了报道一款由钙钛矿太阳能电池供电的自主可穿戴生物传感器，能持续非侵入性地监测代谢情况，实现了室内外活动中多种生物化学数据的连续采集。

 四、【数据概览】

图1 肌肤上环境光驱动的无电池实验室的示意图和图像。© 2023 Springer Nature

  1. 通过准二维薄膜钙钛矿太阳能电池在户外和室内照明条件下供电，实现能源自主的可穿戴设备，并在广泛的活动范围内执行多重无线生物分子分析。
  2. 可穿戴设备分层装配的三维爆炸模型。
  3. 喷墨打印的一次性微流控传感器贴片的照片，包含用于自主汗液刺激的离子透析模块、汗液采样的微流体学、汗液分析的多通路电化学生物传感器以及阻抗式汗液流速传感器。
  4. 采用折纸风格组装的可穿戴设备的照片。
  5. 可穿戴设备佩戴在前臂腹侧，并通过BLE与定制开发的移动应用无线连接的照片。

图2 柔性钙钛矿太阳能电池(FPSC)设计与特性分析 © 2023 Springer Nature

  1. 一个FPSC的照片。
  2. 由两个单独的1平方厘米有效面积太阳能电池串联连接而成的FPSC模块的三维模型架构。
  3. FPSC的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像。
  4. FPSC的外部量子效率（EQE），叠加了标准参考AM1.5G倾斜太阳照明的归一化发射光谱和室内灯光（2,700K）LED光波谱。
  5. 在室内灯光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）和模块尺寸（2.000平方厘米）FPSC的电流-电压曲线。
  6. FPSC模块的功率输出与光照强度的关系。
  7. FPSC模块在全日光AM1.5G和室内暖光LED（600勒克斯）照明下24小时内的最大功率点跟踪。
  8. 在2,000次折弯循环（5厘米弯曲半径）中，FPSC模块的归一化能量转换效率（PCE）。
  9. FPSC模块在合成汗液溶液中浸泡并运行24小时时，铅释放测试的结果。

图3 能量收集和自主多模态生物传感的可穿戴设备的系统设计与特性分析。 © 2023 Springer Nature

  1. 一次性微流体汗液贴片的示意图，用于汗液诱导和采样。
  2. 可穿戴设备的系统级块图。
  3. 可穿戴设备的自定义移动应用。
  4. 在不同光强下各种操作模式的功耗剖面（底部）及相应的电容充放电曲线（顶部）。
  5. 可穿戴设备获得的Nat、pH、葡萄糖（Glu）和汗液流速（SR）传感器的响应。
  6. 在室内实验室光（左）和室内灯光（右）照明条件下进行多路测量时的功耗剖面（底部）及相应的电容充放电曲线（顶部）。
  7. 在不同流速（0.12-3.00 微升/分钟）和实验室光照（1,200勒克斯）条件下的多路多模态传感响应。

图4 可穿戴设备在长时间和跨活动汗液分析方面的身体评估。 © 2023 Springer Nature

  1. 佩戴在身体上的可穿戴设备的照片。
  2. 在不同照明条件下执行多路汗液生物传感时，可穿戴设备准二维FPSC模块的功率输出和可穿戴设备电子部件的功耗。插图中的照片显示了单次离子透析汗液诱导事件后相应的微流控汗液采样。

c、d. 在禁食状态（c）和葡萄糖耐量测试后（d），在实验室光照下对健康受试者进行的可穿戴设备启用的自主多路生理监测。

e、f. 在禁食状态下（e）和饮食摄入后（f），在实验室光照下进行的剧烈运动时的可穿戴设备启用的多路生理监测。

  1. 在不同光照条件下，使用可穿戴设备进行全天的跨活动生理化学监测。

五、【成果启示】

总的来说，本研究介绍了一款由准二维FPSC供电的创新可穿戴生物传感器平台，该设备能够持续提取汗液并通过多种电化学技术实时监测生理化学指标。不仅适用于不同光照条件和活动强度，还通过微流控离子透析汗液处理模块实现了持续流速监测的汗液提取。该技术在稳定性方面仍有改进空间，并具有广泛的应用前景，包括运动科学、日常追踪以及关心健康状况或功能障碍的人群的护理。

 

原文详情：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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