用于自供电葡萄糖生物传感器的基于面罩的印刷电极上的可穿戴能源设备
【导读】：在跟踪个人健康和表现方面，这些基于面罩的柔性设备可能具有下一代智能纺织品和可穿戴设备的潜力。
智能手表、健身追踪器、智能服装、智能医疗附件、数据手套——医疗保健、健身和健康领域的可穿戴传感器电子市场正在迅速增长。
可穿戴电子 领域由几个组件组成——传感器、执行器、电子设备和电力存储或发电——所有这些都必须组合成一个小型化设备设计。第一代主要由可拆卸组件组成，而第二代正在转向嵌入纺织品的传感器、执行器和治疗解决方案。此外，许多较新的设备都依赖于纳米材料和/或纳米技术支持的设计。
最近引起大量研究兴趣的可穿戴传感器技术的一个特定领域涉及面罩。例如，我们已经报道了一种高舒适度的智能面罩，它可以检查是否合适并监测咳嗽。
然而，由于对多参数检测、复杂数据处理和实时无线数据传输的需求不断增长，可穿戴生物传感设备非常耗能。
在这方面，（生物）燃料电池过去已被证明成功地用于实验室平台上的自供电葡萄糖传感器。主要挑战是实现能量自主的可穿戴生物传感系统，该系统包含实用且高效的能量收集器，以持续提供电力并显示用于生物传感目的的信号，例如葡萄糖检测。
泰国的一个研究小组着手解决能源供应问题，同时为单个面罩添加额外的生物传感功能。此外，他们致力于降低制造的复杂性和成本。他们最近在Sensing and Bio-Sensing Research上发表的论文描述了面罩上的自供电生物电子学的第一个示例，该示例可以连续测量生物葡萄糖信号活力。
在他们的工作中，该团队展示了一种三合一面罩装置，它可以 1) 收集能量（生物燃料电池）；2）储存能量（超级电容器）；3) 指示葡萄糖浓度（生物传感器）。
用于从葡萄糖中收集能量和自供电监测葡萄糖的基于面罩的生物电子设备的示意图。(A) 基于面罩的生物电子照片。(B) 电极的放大照片。(C) 基于面罩的生物电子设备的概念，该设备使用含有葡萄糖的汗液来发电和自供电信号。（D-E）基于掩模的生物电子器件的组件以及在（D）生物阳极和（E）阴极上发生的氧化还原反应。
使研究人员能够实现 3 合 1 面罩的工程突破是基于丝网印刷电极，该电极在面罩上具有柔韧性，并包含有助于催化反应（用于能量收集和生物传感）的活性功能材料和电容（用于在超级电容器模块中存储能量）。这允许一个自我维持的设备以及扩大制造过程以满足商业需求。
研究者指出，在活性和柔性电极上功能化的酶——葡萄糖氧化酶是提取电子（即发电）反应的关键。提取的电与葡萄糖浓度成正比，因此可以作为自供电检测的分析信号。
除了能量收集和生物传感外，电极上带有导电聚合物的纳米复合材料还可以帮助为这种基于面罩的生物超级电容器储存电能。
自供电葡萄糖生物传感器。(A) 自供电生物传感电子系统的图示。(B) 使用基于面罩的葡萄糖生物传感器从自生电流响应中获得的葡萄糖浓度的校准图。在添加葡萄糖后，在 98.7 kΩ 的电极之间的恒定负载下观察到电流（未施加来自外部源的电势）。（（1-8）：0.25、0.50、0.75、1.50、2.00、2.50、5.00 和 10.00 mM 葡萄糖）。(C) 增加葡萄糖浓度时的自供电电流输出。误差线是标准偏差 (n = 3)。(D) 选择性测试显示电流输出至 (1) 1.25 mM 葡萄糖 (2) 28 mM 乳酸，(3) 118 µM 尿酸，(4) 20 µM 抗坏血酸，(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，无外加电位。(E) 相应的图显示了对葡萄糖和其他物质的自供电反应。
研究人员现在正在寻求突破这个平台的极限。他们将把他们的系统与其他传感器和能源设备相结合，以制造以自供电和自可持续方式检测多种分析物的设备。他们还在研究一种新方法，将这一概念扩展到可能与我们的面部接触的其他生物分子目标（包括有毒污染物和病原体）。
“该领域的主要挑战在于创建数字和物联网 (IoT) 系统或向用户提供反馈，”研究者总结道。“一个例子是一个葡萄糖传感器，它用胰岛素泵关闭循环，就像我们体内的一样，它被设计成在血糖传感器和胰腺之间建立一个闭环通信系统（用激素胰岛素和胰高血糖素响应这些水平）。
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