用于自供電葡萄糖生物傳感器的基于面罩的印刷電極上的可穿戴能源設備

【導讀】：在跟蹤個人健康和表現方面，這些基于面罩的柔性設備可能具有下一代智能紡織品和可穿戴設備的潛力。

智能手表、健身追蹤器、智能服裝、智能醫療附件、數據手套——醫療保健、健身和健康領域的可穿戴傳感器電子市場正在迅速增長。

可穿戴電子 領域由幾個組件組成——傳感器、執行器、電子設備和電力存儲或發電——所有這些都必須組合成一個小型化設備設計。第一代主要由可拆卸組件組成，而第二代正在轉向嵌入紡織品的傳感器、執行器和治療解決方案。此外，許多較新的設備都依賴于納米材料和/或納米技術支持的設計。

最近引起大量研究興趣的可穿戴傳感器技術的一個特定領域涉及面罩。例如，我們已經報道了一種高舒适度的智能面罩，它可以檢查是否合适并監測咳嗽。

然而，由于對多參數檢測、複雜數據處理和實時無線數據傳輸的需求不斷增長，可穿戴生物傳感設備非常耗能。

在這方面，（生物）燃料電池過去已被證明成功地用于實驗室平台上的自供電葡萄糖傳感器。主要挑戰是實現能量自主的可穿戴生物傳感系統，該系統包含實用且高效的能量收集器，以持續提供電力并顯示用于生物傳感目的的信号，例如葡萄糖檢測。

泰國的一個研究小組着手解決能源供應問題，同時為單個面罩添加額外的生物傳感功能。此外，他們緻力于降低制造的複雜性和成本。他們最近在Sensing and Bio-Sensing Research上發表的論文描述了面罩上的自供電生物電子學的第一個示例，該示例可以連續測量生物葡萄糖信号活力。

在他們的工作中，該團隊展示了一種三合一面罩裝置，它可以 1) 收集能量（生物燃料電池）；2）儲存能量（超級電容器）；3) 指示葡萄糖濃度（生物傳感器）。

用于從葡萄糖中收集能量和自供電監測葡萄糖的基于面罩的生物電子設備的示意圖。(A) 基于面罩的生物電子照片。(B) 電極的放大照片。(C) 基于面罩的生物電子設備的概念，該設備使用含有葡萄糖的汗液來發電和自供電信号。（D-E）基于掩模的生物電子器件的組件以及在（D）生物陽極和（E）陰極上發生的氧化還原反應。

使研究人員能夠實現 3 合 1 面罩的工程突破是基于絲網印刷電極，該電極在面罩上具有柔韌性，并包含有助于催化反應（用于能量收集和生物傳感）的活性功能材料和電容（用于在超級電容器模塊中存儲能量）。這允許一個自我維持的設備以及擴大制造過程以滿足商業需求。

研究者指出，在活性和柔性電極上功能化的酶——葡萄糖氧化酶是提取電子（即發電）反應的關鍵。提取的電與葡萄糖濃度成正比，因此可以作為自供電檢測的分析信号。

除了能量收集和生物傳感外，電極上帶有導電聚合物的納米複合材料還可以幫助為這種基于面罩的生物超級電容器儲存電能。

自供電葡萄糖生物傳感器。(A) 自供電生物傳感電子系統的圖示。(B) 使用基于面罩的葡萄糖生物傳感器從自生電流響應中獲得的葡萄糖濃度的校準圖。在添加葡萄糖後，在 98.7 kΩ 的電極之間的恒定負載下觀察到電流（未施加來自外部源的電勢）。（（1-8）：0.25、0.50、0.75、1.50、2.00、2.50、5.00 和 10.00 mM 葡萄糖）。(C) 增加葡萄糖濃度時的自供電電流輸出。誤差線是标準偏差 (n = 3)。(D) 選擇性測試顯示電流輸出至 (1) 1.25 mM 葡萄糖 (2) 28 mM 乳酸，(3) 118 µM 尿酸，(4) 20 µM 抗壞血酸，(5) 168 µM 肌酐，(6) 2.50 mM 葡萄糖，(7) 3.75 mM 葡萄糖，和 (8) 5.00 mM 葡萄糖，無外加電位。(E) 相應的圖顯示了對葡萄糖和其他物質的自供電反應。

研究人員現在正在尋求突破這個平台的極限。他們将把他們的系統與其他傳感器和能源設備相結合，以制造以自供電和自可持續方式檢測多種分析物的設備。他們還在研究一種新方法，将這一概念擴展到可能與我們的面部接觸的其他生物分子目标（包括有毒污染物和病原體）。

“該領域的主要挑戰在于創建數字和物聯網 (IoT) 系統或向用戶提供反饋，”研究者總結道。“一個例子是一個葡萄糖傳感器，它用胰島素泵關閉循環，就像我們體内的一樣，它被設計成在血糖傳感器和胰腺之間建立一個閉環通信系統（用激素胰島素和胰高血糖素響應這些水平）。

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