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用于葡萄糖和乳酸NFC供电的汗液生物传感器

Orlando Hoilett 2019-08-15

什么是汗水生物传感器?1QF电子头条

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汗液生物传感器是一种监测特定生理汗液量的装置,通常戴在手臂或肩膀上,因为与身体其他部位相比,这些部位的汗液分泌量较高。通常,汗液生物传感器设计用于分析葡萄糖、乳酸或钠等生物标志物,提供有关血糖含量、肌肉活动或水合作用的信息汗液生物传感器在医疗器械行业和学术界引起了越来越多的关注,因为它们为非侵入性监测重要的生物标志物提供了一个独特的机会,用于健康和健身应用以及医疗诊断和治疗。1QF电子头条

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由John Rogers教授领导的西北大学生物集成电子中心的研究人员是支持研究可穿戴式汗液生物传感器的人之一。他们最近发表的一篇题为《无电池、皮肤接口的微流体/电子系统,用于同时进行电化学、比色和汗液体积分析》的出版物突出了他们的努力。1QF电子头条

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用于葡萄糖和乳酸NFC供电的汗液生物传感器1QF电子头条

图中显示了汗液生物传感器的不同方面,特别突出了其多层结构以及无电池操作。来自Rogers研究小组的图片1QF电子头条

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电位葡萄糖和乳酸传感器的电压缓冲器1QF电子头条

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模拟前端非常简单,只需要一个带有集成RF滤波器的简单电压跟随器。葡萄糖和乳酸传感器是电位传感器,这意味着它们输出的电压与被分析汗液样本中葡萄糖或乳酸的浓度成比例。这种操作是普通实验室pH探头的基础,需要相当简单的硬件(由低噪声电压缓冲器组成)来实现。1QF电子头条

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葡萄糖和乳酸电位传感器的示意图。在数字化之前对每个信号进行缓冲和滤波,以消除外来噪声。图像内容从Science Advances重新创建。1QF电子头条

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该研究小组在跟随器电路的反馈网络中假如电容器,以降低带宽与噪声。然后由14位模数转换器读取信号。1QF电子头条

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通过NFC无线供电1QF电子头条

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研究团队强调的一个关键特性是其设备的无电池操作。Rogers研究集团没有使用标准的一次电池或二次电池为设备供电,而是选择采用无线供电方案,巧妙地利用NFC(近场通信)进行电源和通信。1QF电子头条

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该技术在消费者NFC标签中被广泛使用,用于标签和支持NFC的智能设备之间的短距离无线通信。尽管NFC并没有像许多先前预测的那样完全接管消费电子行业,但NFC在使用手机和智能手表实现非接触式支付方面的应用正在不断增长。NFC提供的功率非常小,因此电路必须以极低的功率运行。他们使用德州仪器(TI)的RF430FRL152H传感器转发器,该转发器设计用于小型电池或更有趣的磁场运行。1QF电子头条

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德州仪器RF430FRL152H的功能框图。来自RF430FRL152H数据表的图像。1QF电子头条

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RF430FRL152H具有1.45 V的极低工作电压,旨在用于处理间歇性磁场提供的不受调节的可变功率。RF430FRL152H包括德州仪器(TI)流行的低功耗MSP430微控制器架构,该架构拥有业界最低的工作电压之一。Rogers集团提到使用ADA4505-2缓冲传感器信号,ADA4505-2是一种小尺寸、零交叉、低噪声、低工作电压放大器。最小的占地面积对于确保传感器在身体上佩戴时保持不显眼至关重要。由于来自葡萄糖和乳酸传感器的信号具有非常小的动态范围且未被放大(因为放大器而非单位增益缓冲器将需要额外的无源组件),因此必须使用零交叉和低噪声来最小化失真。1QF电子头条

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与传统实验室技术相比,显示传感器葡萄糖和乳酸盐测量值的数据。来自Rogers研究小组的图片1QF电子头条

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一些内部制造1QF电子头条

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NFC天线的制作是在内部进行的,使用光刻技术在柔性印刷电路板材料(DuPont Pyralux AP8535R)上绘制导电痕迹,该材料由一层聚酰亚胺隔开,并由一种防水硅酮材料封装。在内部开发NFC天线使研究小组在质量控制方面具有最大的灵活性,从而在高Q、甚至在适度高弯曲半径的情况下获得出色的天线性能。1QF电子头条

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早期可行性研究1QF电子头条

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研究人员证明了他们的设备能够测量不同的生物标记,同时使用NFC智能手机和定制设计的大型天线为设备供电,以便在骑着固定自行车时进行连续监测。当然,研究结果是初步的,但仍有希望。1QF电子头条

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汗液生物传感器因基线漂移、温度变化和传感元件腐蚀引起的变化而臭名昭著,随着时间的推移,随着磨损的增加,信号噪声比降低。虽然本文没有具体解决这些问题,但其他问题,如低过敏性粘合剂和模拟前端的小型化,为汗水生物传感器面临的非常具有挑战性的问题提供了有趣的解决方案。1QF电子头条

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低功耗和小型化的案例1QF电子头条

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本文论证了微型化的必要性,以及开发先进生物医学技术的更灵活的电源选择,以及减少器件占地面积的晶片级集成电路的必要性。微型化和降低功耗对于可穿戴传感器尤为重要,因为此类传感器依赖于谨慎和持久。本文还介绍了产业界与学术界关系的关键机遇,通过利用每个合作伙伴的特定专业,简化新医疗技术的开发。1QF电子头条

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半导体公司可以为芯片组提供先进的功能集和低功耗,制造工厂可以为学者提供磁带空间,将他们的原型变成定制的集成电路,学术界可以为公司想要探索的高风险工作提供测试中心。1QF电子头条