NFC podporoval biosenzor potu pro glukózu a laktát

Vědci z Northwestern University Center for Bio-Integrated Electronics podporují vývoj biosenzorů potu pomocí nejnovějších senzorů glukózy a laktátu.

Co jsou biosenzory potu?

Biosenzory potu jsou zařízení, která monitorují určité fyziologické množství potu, které se často nosí na zadní paži nebo rameni, protože je ve srovnání se zbytkem těla vystaveno vysoké produkci potu. Biosenzory potu jsou často navrženy tak, aby analyzovaly biomarkery, jako je glukóza, laktát nebo sodík, a poskytovaly informace o glykemickém obsahu, svalové aktivitě nebo hydrataci.

Biosenzory potu přitahují stále větší pozornost průmyslu zdravotnických prostředků a akademické sféry, protože nabízejí jedinečnou příležitost neinvazivně sledovat klíčové biomarkery pro lékařskou diagnostiku a léčbu, stejně jako pro zdraví a fitness aplikace. .

Výzkumníci z Northwestern University Center for Biointegrated Electronics, vedeni profesorem Johnem Rogersem, patří mezi ty, kteří obhajují výzkum biosenzorů potního potu. Jedna z jeho nedávných publikací s názvem „Mikrofluidní / elektronické systémy s povrchovou úpravou kůže pro simultánní elektrochemickou, kolorimetrickou a volumetrickou analýzu potu“ zdůrazňuje jeho úsilí.

Obrázek ukazuje různé aspekty biosenzoru potu, který zdůrazňuje jeho bezbateriový provoz a jeho vícevrstvou strukturu. Obrázek Rogers Research Group.

Vyrovnávací paměť napětí pro potenciometrické senzory glukózy a laktátu

Analogový front-end je docela přímočarý a vyžaduje pouze jednoduchý sledovač napětí se zabudovaným RF filtrem. Senzory glukózy a laktátu jsou potenciometrické senzory, což znamená, že vyzařují malé napětí úměrné koncentraci glukózy nebo laktátu zjištěné v analyzovaném vzorku potu. Tento proces je základem obecných laboratorních sond pH a vyžaduje pro svou aplikaci poměrně jednoduchý hardware, který se skládá z nízkošumové vyrovnávací paměti napětí.

Schéma potenciometrických senzorů glukózy a laktátu. Každý signál je před digitalizací ukládán do vyrovnávací paměti a filtrován, aby se eliminoval vnější šum. Vizuální obsah reprodukovaný z vědeckých pokroků.

Výzkumná skupina zahrnovala kondenzátor ve zpětnovazební síti sledovacího obvodu, aby se snížila šířka pásma a snížil šum. Signál je poté čten 14bitovým analogově-digitálním převodníkem.

Bezdrátové napájení přes NFC

Jednou z hlavních funkcí zvýrazněných výzkumným týmem je, že vaše zařízení běží bez baterie. Rogers Research Group se rozhodla použít bezdrátové napájecí schéma, které inteligentně využívá NFC (komunikace v blízkém poli) pro napájení i komunikaci, místo aby napájelo zařízení standardní primární nebo sekundární baterií.

Tato technika se používá u spotřebitelských značek NFC pro bezdrátovou komunikaci na krátkou vzdálenost mezi značkou a inteligentním zařízením s povoleným NFC. Zatímco NFC plně nepřevzalo odvětví spotřební elektroniky, jako mnoho z výše uvedených předpovědí, NFC nalézá stále větší využití k umožnění bezkontaktní platby pomocí mobilních telefonů a chytrých hodinek.

NFC poskytuje velmi malé množství energie, takže obvod musí běžet při extrémně nízkém výkonu. Využili transpondér snímače RF430FRL152H společnosti Texas Instruments, navržený pro provoz na malou baterii nebo, co je zajímavější, v magnetickém poli.

Funkční blokové schéma Texas Instruments RF430FRL152H. Obrázek datového listu RF430FRL152H.

RF430FRL152H má neuvěřitelně nízké provozní napětí 1,45 V a je navržen tak, aby zvládl nepravidelný proměnný výkon poskytovaný přerušovaným magnetickým polem.

RF430FRL152H je vybaven populární architekturou mikrokontroléru MSP430 společnosti Texas Instruments s jedním z nejnižších provozních napětí v oboru. Rogersova skupina hovoří o vyrovnávací paměti senzorových signálů s ADA4505-2, malým půdorysem, nulovým přechodem, nízkým šumem a zesilovačem nízkého provozního napětí. Minimální stopa je velmi důležitá, aby se zajistilo, že senzor nevynikne při nošení na těle. K minimalizaci zkreslení je zapotřebí nulové křížení a nízký šum, protože signály ze senzorů glukózy a laktátu mají velmi malý dynamický rozsah a nejsou zesilovány (protože místo vyrovnávací paměti pro zesílení jednotky bude zesilovač vyžadovat další pasivní součásti).

Data zobrazující senzory glukózy a laktátu naměřené senzory ve srovnání s tradičními laboratorními technikami. Obrázek Rogers Research Group.

Nějaká vlastní výroba

Výroba antény NFC byla prováděna interně pomocí fotolitografie ke sledování vodivých stop na flexibilním materiálu desky s plošnými spoji (DuPont Pyralux AP8535R) odděleném vrstvou polyimidu a zapouzdřeném silikonovým materiálem pro hydroizolaci. Interní vývoj antény NFC nabízí výzkumné skupině největší flexibilitu v řízení kvality, což se projevuje vynikajícím výkonem antény s vysokým Q i při středně vysokých poloměrech zakřivení.

První studie proveditelnosti

Vědci prokázali, že jejich zařízení je rozsáhlá anténa speciálně navržená pro nepřetržité monitorování při jízdě na stacionárním kole, stejně jako schopnost měřit různé biomarkery, když je napájen smartphonem s podporou NFC. Výsledky jsou samozřejmě předběžné, ale stále slibné.

Biosenzory potu jsou známy základním driftem, variabilitou v důsledku teploty a variabilitou v důsledku koroze senzorových prvků, což má za následek nižší poměr signál-šum v čase. opotřebení se zvyšuje. I když se tento článek konkrétně nezabývá těmito problémy, další obavy, jako je hypoalergenní lepidlo a miniaturizace analogové přední části, poskytly zajímavá řešení složitějších problémů, kterým čelí biosenzory potu.

Nižší výkon a stav miniaturizace

Tento dokument ukazuje potřebu miniaturizace a flexibilnějších možností napájení pro pokrok v pokročilých biomedicínských technologiích a také potřebu integrovaných obvodů v měřítku destiček ke snížení stopy zařízení. Miniaturizace a snížená spotřeba energie jsou pro nositelné snímače obzvláště důležité, protože nositelná čidla se spoléhají na diskrétnost a trvanlivost. Tento dokument také poskytuje významné příležitosti pro vztahy mezi průmyslem a akademickou sférou, které mohou urychlit vývoj nové lékařské technologie využitím jedinečných odborných znalostí každého partnera.

Polovodičové společnosti mohou poskytnout čipové sady s pokročilými funkcemi a nízkou spotřebou energie, výrobní společnosti mohou poskytnout akademický prostor pro transformaci svých prototypů na vlastní integrované obvody a akademická obec může poskytnout testovací centra pro vysoce rizikovou práci. společnosti chtějí prozkoumat.