Nature Electronics： 一种在指尖上运行的自主且连续的汗液传感系统

现有技术缺点：

1. 当前可穿戴健康监测系统受限于能源供应、传感能力、电路调节及设备尺寸，影响用户体验和功能。

2. 传统系统往往依赖于刚性电池，增加了体积且需要频繁充电，降低了便携性和安全性。

文章亮点：

1. 提出了一种指尖可穿戴的自主汗液传感系统，结合酶生物燃料电池和AgCl-Zn电池，形成自电压调节的微电网。

2. 系统能够通过汗液自动供电，支持实时检测多种代谢物（如葡萄糖、维生素C、乳酸和左旋多巴），且运行时间长。

应用场景：

1. 适用于个人健康监测，可实时跟踪生理状态和关键代谢物，便于用户进行健康管理。

2. 可应用于运动监测、疾病监控及生化能的非侵入式检测。

总结：

    作者展示了一种创新的指尖可穿戴微电网系统，集成了生物能量收集和多路传感能力，克服了传统可穿戴设备的局限性。系统能有效利用汗液中的生物能量，实现长时间的自主监测，极大增强了用户体验和功能，未来有潜力在个性化健康监测领域广泛应用。

文章名称：A fingertip-wearable microgrid system for autonomous energy management and metabolic monitoring

期刊：Nature Electronics

文章DOI：https://doi.org/10.1038/s41928-024-01236-7

通讯作者：加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang教授

指尖可穿戴微电网的设计

图1 指尖可穿戴微电网的原理与设计。 a，指尖可穿戴微电网系统的示意图，包括生物燃料电池（BFCs）、氯化银-锌电池、柔性印刷电路板（fPCB）和带有渗透汗液提取辅助纸质流体系统的可穿戴传感器。BFCs与氯化银-锌电池的组合构成一个能量模块，该模块由两个串联连接的氯化银-锌电池组成，每个电池由两个串联连接的BFCs充电。红色圆圈内的插图放大了与指尖接口的组件，包括四个BFCs和一个用于汗液提取的中心渗透泵系统：（i）主示意图，（ii）腹侧视图和（iii）背侧视图。b，指尖安装的能量微电网工作原理示意图，用于能量收集、能量存储和电化学传感，具备无线数据传输和智能手机显示功能。指尖的汗液提供生物燃料和生物标志物，分别用于被动能量收集和持续传感。供电的微控制单元（MCU）支持四个传感器，用于代谢监测、膳食补充剂和药物监测，这些与各种生理和代谢状态相关。c，指尖可穿戴微电网的光学图像。扩展结构的外观（i）折叠前，（ii）折叠后并连接BFC-电池到fPCB，（iii）及包含纸质流体通道和传感器后的状态。比例尺，1 cm。

 BFC和电池的表征

图2 BFC和柔性AgCl-Zn电池的表征。 a，酶促BFC中各个层的爆炸视图。LOx和BOD的结构改编自RCSB PDB编号2J6X和2XLL。b，BFC在拉伸、弯曲和缠绕下的图像。比例尺，5 mm。c，单个BFC在不同乳酸浓度（5至35 mM）下的功率密度曲线，通过LSV表征。扫描速率，5 mV/s。d，单个和成对BFC的功率输出在20 mM乳酸下通过LSV表征。扫描速率，5 mV/s。e,f，单个BFC在0.50 V下的电流密度（e）及在0.1 M PBS中不同乳酸浓度（5至35 mM）下的功率标定图（f）。g，成对BFC在25 mM乳酸浓度下0.5 V的电流密度，持续10小时。h，成对BFC在重复20%单轴拉伸下进行2,000个循环的电流密度（CA在1 V和25 mM乳酸下）。i，AgCl-Zn柔性电池各个层的爆炸视图。j，AgCl-Zn电池在20%拉伸、弯曲和扭转下的图像。比例尺，5 mm。k,l，AgCl阴极（比例尺，50 µm）（k）和Zn阳极（比例尺，150 µm）层的SEM图像（l）。m，电池在0.4 C充放电速率下的循环性能。n，AgCl-Zn柔性电池在不同放电电流速率（C-rate）下的电压-容量曲线。o，电池在重复20%单轴拉伸下进行2,000个循环的电压。p，BFC在15 mM乳酸燃料存在下对AgCl-Zn电池充电8小时，随后以25 µA电流放电。E，电压；I，电流；j，电流密度；CE，库伦效率。

    AgCl-Zn电池因其可匹配的电位、安全的pH中性水性电解质介质、电化学稳定性和化学韧性而被选用于指尖微电网系统。作者调整了墨水配方，使电极材料与基底兼容，确保机械可拉伸性、轻量化设计和用户舒适性。

视频1

 指尖生物能量收集与电池充电

    生物燃料电池（BFCs）的生物能量收集能力通过手指触摸测量进行了全面评估。使用三维打印的扇形水凝胶切割器定制的多孔聚乙烯醇（PVA）水凝胶被附加在BFC电极上，作为汗液收集和生物标志物转移介质。水凝胶促进了来自皮肤的自然汗液的连续流动，为BFC提供乳酸以供其发电。

图3 体内能量收集与电池充电。a，触摸指尖2分钟后，从生物燃料电池（BFC）获得的功率趋势。b，单个BFC在不同触摸时间下收集的电荷比较。c,d，在1小时白天会话中，不同参与者和场景的功率曲线（c）和电荷图（d）。e，BFC在白天（i）4小时和（ii）8小时内，从两位不同参与者的指尖被动收集生物能量。f，BFC在夜间（8小时睡眠）从两位参与者的指尖被动收集生物能量。g，BFC在白天（i）4小时和（ii）8小时内，从两位不同参与者被动收集生物能量，随后以25微安的电流放电电池。h，BFC在夜间被动收集生物能量8小时，随后以25微安的电流放电电池。i，BFC在白天（红色）和夜间（蓝色）8小时后充电的电池容量汇总。j,k，六个BFC在三根手指上充电三个串联电池的照片（比例尺，1厘米）（j），以及被动收集生物能量8小时，随后以25微安的电流放电电池（k）。j、h和k中的红色、蓝色和绿色背景分别代表白天充电、夜间充电和随后的电池放电期。

渗透汗液使生化传感器运行

    该渗透微流体生化传感平台主要由三个组成部分构成：水凝胶、电化学传感器阵列和纸质微流体通道（图4a(i)）。纸质通道夹在水凝胶和指尖之间，而传感器阵列则与通道靠近入口的细长矩形区域相接触。该平台持续监测指尖汗液中多种生物标志物的潜力突显了其在非侵入性健康监测中的广泛适用性（图4f-j）。

图4 通过渗透性提取汗液的传感器操作。a, (i) 示意图突出显示了与皮肤界面的水凝胶，以促进带有生物标志物的汗液提取，(ii) 以及多个传感器阵列在指尖的渗透平台的方向。b, 带有界面酶传感器的纸质通道中汗液流动的光学图像，以及传感器在拉伸和扭转下的机械性能。比例尺，5 毫米。c, 使用不同水凝胶变体在手指上的染料流速。d, 与相关日常活动的生物标志物传感示意图。e, 维生素C和l-多巴的电位传感器示意图(i)，以及葡萄糖和乳酸的酶传感器示意图(ii)。LOx和GOx的结构改编自RCSB PDB编号2J6X和1GAL。f, 显示体外传感器性能的图表，插图为(i)维生素C，(ii) l-多巴，(iii)乳酸和(iv)汗液中葡萄糖检测的校准曲线。g, 两名参与者在t = 0 分钟服用药丸后维生素C传感器的指尖响应。h, 两名参与者在食用蚕豆后l-多巴传感器的指尖响应及血液l-多巴的计时安培信号。i, 使用(i)完全静止的参与者和(ii)同一参与者在户外步行30分钟后的乳酸传感器测量的指尖响应。j, 两名参与者在t = 0 分钟进餐后葡萄糖传感器的指尖响应及测得的血液乳酸浓度。BG，血糖浓度。

集成指尖可穿戴微电网系统

    可穿戴微电网系统选择了超低功耗 MCU（nRF52832，6×6 mm），能够在 1.7 V 以下工作，并带有 BLE。用于为AgCl-Zn电池能源系统充电的生物燃料电池（BFC）产生的开路电压高达2 V，可以直接为柔性印刷电路板（fPCB）供电，无需电压升压器。微控制器控制四个传感器进行数据输入、存储和BLE传输（图5a）。为了实现多路复用传感，集成系统与不同的电阻连接，以获取每个传感器信号的最大分辨率（如维生素C、葡萄糖、乳酸和左旋多巴）。

图5 集成指尖可穿戴微电网系统的操作。 a， 可穿戴电子系统的框图。b， MCU在BLE广告模式、配对开始模式和配对模式下的功耗。c， 两个串联连接的AgCl-Zn电池的放电特性模拟了有无BFC充电的放电曲线。d， 细胞活力在1小时和24小时培养期的定量分析。数据表示为均值±标准差（n=6）。e， 参与者在白天活动中佩戴指尖微电网的光学图像，包括桌面工作（使用计算机鼠标）和饮用橙汁（i），以及夜间睡眠（ii）。(iii) 收集的数据通过无线方式传输至智能手机，并在定制设计的移动网页应用中显示。比例尺，2 cm。f， 全天跨活动能量消耗（i）和电压响应（ii）。g， 在不同日常活动下，佩戴指尖微电网的全天生物标志物监测。

Ding, S., Saha, T., Yin, L. et al. A fingertip-wearable microgrid system for autonomous energy management and metabolic monitoring. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01236-7

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