加州理工学院开发的太阳能供电可穿戴式汗液传感器使用包晶太阳能电池提供能量，能够在室内环境下持续监测健康状况。这些传感器可跟踪多种生物标志物，为经济有效地管理各种健康状况提供了一种无创工具。
佩戴在身体上的汗液传感器，可利用太阳光和室内环境光供电 图源：Jihong Min
可穿戴汗液传感器
汗液和血液一样，都含有宝贵的健康信息，但收集汗液的侵入性要小得多。 加州理工学院医学工程助理教授、传统医学研究所研究员、Ronald 和 JoAnne Willens 奖学金获得者高伟开发的可穿戴汗液传感器就是基于这一理念。
在过去五年中，高伟对这些可穿戴设备进行了改进，以检测各种健康指标，包括盐、糖、尿酸、氨基酸、维生素，甚至像C-反应蛋白这样的复杂分子，而C-反应蛋白是某些健康风险的信号。 在他与奥地利林茨约翰内斯-开普勒大学马丁-卡尔特布伦纳团队合作开发的最新创新成果中，高锟为这些传感器配备了柔性太阳能电池，实现了连续、无电池运行。
为 Wei Gao 的可穿戴汗液传感器供电的柔性过氧化物太阳能电池。 图片来源：Stepan Demchyshyn
太阳能可穿戴技术的进步
实验室使用的太阳能电池由钙钛矿晶体制成，钙钛矿之所以受到太阳能电池开发人员的关注，有几个原因： 首先，它的制造成本比硅（自 20 世纪 50 年代以来太阳能电池使用的主要材料）低，而硅必须经过多道工序高度提纯。 其次，钙钛矿比硅太阳能电池层薄 1000 倍，用 Gao 的术语来说就是"准 2D"。 第三，从室外阳光到各种形式的室内照明，均可根据不同的照明光谱对包晶石进行调整。 最后，也是最吸引太阳能先驱的一点是，与硅相比，钙钛矿太阳能电池具有更高的功率转换效率（PCE），这意味着它们可以将更多的光转换成可用的电能。
增强的过氧化物太阳能电池效率
硅太阳能电池的 PCE 已达到 26% 至 27% 的水平，但在日常使用中，PCE 在 18% 至 22% 之间徘徊。 相比之下，高伟的可穿戴汗液传感器上的柔性过氧化物太阳能电池（FPSC）在室内光照下的 PCE 超过了 31%，创下了历史新高。"我们不想只用强烈的阳光为我们的可穿戴设备供电，"高伟解释说。"我们关心更多的现实条件，包括正常的办公室和家庭照明。 许多太阳能电池在强烈的阳光下效率很高，但在微弱的室内照明条件下就不行了。汗液传感器上的 FPSC 特别适合室内照明，因为"FPSC 的光谱响应与常见的室内照明发射光谱非常吻合"。
可穿戴汗液传感器，显示紧贴皮肤层（左）和柔性太阳能电池（右）。 中间层包括电子元件和生物标记传感器。 资料来源：Jihong Min
以前的可穿戴汗液传感器由锂离子电池供电，这些电池体积庞大，必须使用外部电源充电。 为了寻找一种更轻便、更可再生的电力来源来为这些高需求设备供电，实验室尝试使用硅太阳能电池，但他们发现这种电池过于坚硬、效率低下，而且依赖于强烈的光照条件。 他们还尝试从人体汗液中的化学物质（一种现成的生物燃料）和身体运动中获取能量，但发现这些能量太不稳定，或者需要佩戴者付出太多努力。
通过使用 FPSC，高伟制作出了可每天佩戴 12 小时的汗液传感器，可对 pH 值、盐分、葡萄糖和温度进行连续监测，并定期（每 5 到 10 分钟）监测出汗率。 所有这些都无需电池或专门的光源。 此外，由于电源变得更轻、更小巧，可穿戴设备还有空间安装更多的检测器，以同时监测更多的生物标志物。
通过蓝牙与可穿戴汗液传感器配对的手机应用程序。 图片来源：Jihong Min
这款新型可穿戴汗液传感器与前几代产品一样，采用类似折纸的组装方式，各层分别用于不同的工序。 传感器有四个主要的互动组件。 第一个组件专门用于电源管理--分配太阳能电池收集的电能。 第二部分实现了离子透入，即在佩戴者不需要做任何运动或暴露在高温下的情况下诱导出汗。 在高伟的研究中，离子透入疗法每三小时进行一次，以确保有足够的汗液来持续监测所观察的生物标志物。 第三个传感器可对汗液中的各种物质进行电化学测量。 第四个系统管理数据处理和无线通信，使传感器能够与手机应用程序连接，显示传感器正在进行的监测结果。
完全组装后的传感器尺寸为 20 x 27 x 4 毫米，可以承受佩戴在身体上的机械压力。"汗液传感器的大部分元件，如电子元件和 FPSC，都可以重复使用，"高伟补充说。"唯一的例外是传感器贴片，它是一次性的，可以使用喷墨打印技术以低成本批量生产。 这些传感器贴片还可以根据用户希望测量的体内物质进行定制。"
随着这些太阳能汗液传感器的投入使用，它们所能测量的范围将远远超过目前任何健身或健康追踪器所能测量的范围。 例如，它们可用于糖尿病管理（研究表明，汗液中的葡萄糖与血液中的葡萄糖非常吻合）以及心脏病、囊性纤维化和痛风等一系列疾病的检测。 由于这些传感器是非侵入式的，而且可以在短时间内进行多次测量，因此可以辨别个人的皮质醇、激素或各种营养素和药物的代谢物等物质的基线水平。 一旦知道了这些物质的基线水平，未来出现偏差时就能提供比单次抽血更有效的诊断手段。 由于传感器的价格相对低廉，因此希望它们能成为包括发展中国家在内的全球各地的优秀诊断工具。
编译自/ScitechDaily