【学习笔记】从零开始造一个汗液检测穿戴设备——01.葡萄糖电化学检测

*本笔记用于推进毕业项目进行，接下来的文章都是我一步步从零开始学习的学习历程。本人非生物医学工程相关或者硬件相关的同学，文中均为我自己浅显的理解，其中有些所用的名词术语有可能是我自己臆想的，如有谬误欢迎及时指正，如果能够提出宝贵意见，您是我的救命恩人。

背景介绍：

本人香港科技的TPG在读，我的专业要求产出“有意义”的科技产品作为毕业设计，经过各种奇奇怪怪的交流和思考，在一位教授的指导（给我画了个大饼）下，妄图制作一个可穿戴的汗液检测装置（深坑）。本科是计算机专业，对生物医学并无理解。

事件发生了：（2022年7月20日）

反正就是很急，教授真的搞事。在简单的交流过后，我痛定思痛，决定认真学习，2022年底不搞定，我就吃一吨屎。（这就是这系列学习笔记的由来）

正文：

对于汗液检测的了解，是基于教授发给我的几篇文章：

 完全集成的可穿戴传感器阵列，用于多路现场排汗分析。（机翻）

现在我们必须完整详细重新学习一遍，因为按道理讲，我只要能把这个完全复刻出来就好了，但是我知道现实是不可能如此一帆风顺的，一定会出现问题的。

按照文章的说法，他们制备了一个机械灵活和完全集成（即不需要外部分析）传感器阵列用于原地排汗分析，同时选择性地测量汗代谢物（如葡萄糖和乳酸）和电解质（如钠和钾离子），以及皮肤温度（校准传感器的响应）。

通过在PET衬底上制造传感器，形成了稳定的传感器-皮肤接触，而FPCB技术利用现成的集成电路组件实现关键信号调节、处理和无线传输功能。

PET:就是一种塑料薄膜吧。实验室用的是PI膜应该也差不多。

FPCB:柔性印刷电路板。

 上图是他们的电极部分，包括一个检测葡萄糖的，一个乳酸的，和他们共用的参比氯化银电极，同时他们这个为了减少面积，氯化银电极也充当对电极使用。两个离子选择电极，一个结合聚乙烯醇缩丁醛(PVB)涂层的参考电极。最旁边是一个温感。

上图是他们的系统图，我打算一步步来，其中葡萄糖和乳酸的操作看起来是一样的，选其中一个，我想先搞懂怎么检测葡萄糖浓度，怎么传输它的信号。

葡萄糖传感器的原理：

原文机翻：基于固定在线性多糖壳聚糖的渗透膜中的葡萄糖氧化酶，Ag/AgCl电极作为传感器的共享参比电极和对电极。使用普鲁士蓝染料作为介质可将还原电位最小化到约0V（相对于Ag/AgCl）

这酶传感器自动产生电流信号，与工作电极和Ag/AgCl电极之间相应代谢物的丰度成正比。

意思就是溶液中的葡萄糖可以与葡萄糖氧化酶反应，然后在电极上产生电流，就可以被我们监测到，并且按照他们的意思，葡萄糖的浓度是和电流大小成正比的。并且这个葡萄糖氧化酶可以固定在壳聚糖里面，保证性能的稳定。

先说结论：横坐标时间，纵坐标电流强度，这是随着时间增加葡萄糖浓度电流的变化。看得出来性能不错。而且可重复性和长期稳定性研究的结果表明，生物传感器的灵敏度在至少四周的时间内是一致的。我都为他们感到高兴。（感觉这个图假假的）

但是温度也会有影响，所以他们加了一个温感用于实时补偿：

 这样看下来，实验结果还是十分理想的，性能看起来还算稳定。

葡萄糖传感器的制备：

基底：

具体的现实人体实验结果先不看了，看完比较理想的实验结果，先看看他到底怎么搞出来的。这是他整个电极基底的制备：

简单地说，就是

1）PET上的传感器阵列使用正光刻胶进行光刻处理（我能理解，就是挖坑是吧）

2）然后在丙酮中通过电子束蒸发和剥离沉积30nmCr/50nmAu。文中是这样写，但图上是只是涂了金

3）沉积500nm的对苯二甲苯C绝缘层。（就是整体又贴一层膜）

4）然后在300W下进行o2等离子体蚀刻450s，以完全去除对苯二甲苯。（意思就是在在刚刚的绝缘膜上挖开几个孔）

5）接着又在丙酮中用电束蒸发形成180nm的Ag。（就是把洞填上）

6）用作工作电极的，用6-M的硝酸溶液溶解掉 1 min。用作Ag/AgCl对电极的，就将10μl 0.1M氯化铁溶液注入1 min。

然后基底就搞完了，其实就是几个金电极和氯化银电极是不是，我真的有点一知半解，不过实验室要使用石墨烯做电极，跟他们这个不一样，这个我就放在下一章讲。

葡萄糖工作电极制备：

要实现葡萄糖传感器，必须用到刚刚制作的基底中的两个电极，一个金的电极作为工作电极，一个氯化银的电极作为对电极。其中的工作电极是关键，以下是制备方法：

1）首先将壳聚糖溶解在2%乙酸中，磁搅拌约1h，制备1%壳聚糖溶液。

2）然后将壳聚糖溶液与单壁碳纳米管(2mgml−1)超声搅拌混合，制备壳聚糖和碳纳米管的粘性溶液。

3）将壳聚糖/碳纳米管溶液与葡萄糖氧化酶溶液(10mgml−1inPBS，pH7.2)以2：1的比例（体积按体积计算）彻底混合。

4）在金电极上沉积一层普鲁士蓝介质层（这是为了保持电位），同时要够薄。

5）最后，将葡萄糖氧化酶/壳聚糖/碳纳米管溶液滴铸3μl到普鲁士蓝/金电极上，就完成了葡萄糖工作电极的制备（我真是一头雾水，这些鬼东西是怎么试出来的）

电流检测部分：

*作为软件方向的学生，对于集成电路那是，一知半解。只能硬着头皮学，部分东西十分基础，甚至有错误。

文献中讲的不是很清楚，我先复述一遍文献中的说法：

1）葡萄糖和乳酸传感器是基于安培法的，也就是说最初产生的信号是以电流的形式出现的。因此，在各自的信号调节路径中，首先使用跨阻抗放大器将信号电流转换为电压。

2）电流测量中，电流的方向是从共享的Ag/AgCl参考/对电极到每个葡萄糖和乳酸传感器的工作电极，这将导致一个负的跨阻抗输出电压。因此，对于葡萄糖和乳酸路径，跨阻抗放大器之后是变换器阶段，使各自的电压信号为正，因为模拟-数字转换器阶段只取正的输入值。(这段后边我有疑问)

3）选择每个过阻抗部分中的反馈电阻(葡萄糖路径1MΩ，乳酸路径0.5MΩ)，这样转换后的电压信号可以很好地分辨，同时保持在微控制器模拟数字转换级的输入电压范围内。电流传感信号路径能够测量到低至1nA的电流电平，这远远低于我们测量的最小信号（几十个纳安培）。

4）接着，所有的模拟信号调节路径都有一个相应的单位增益四极低通滤波器，每个滤波器的−频率为3-dB，频率为1Hz，用来减小我们测量中的噪声和干扰。

5）最后传给单片机，再传给电脑。

其实所有的操作都是靠下面的电路原理图实现的，只要搞懂这个原理图就好。我们先看葡萄糖的吧，下图就是他们给出来的葡萄糖传感器的原理图，我是完全不懂的，只能一起来看一下：

 我看到了它们都使用了一个小三角东西叫LT1462, 他们所有的操作都是通过这个芯片完成的。我上网查一下，下载了它的硬件手册。

 

 

通过这硬件手册里和文献里的图编号我就能确定， 一个LT1462里面有两个这样的小三角，并且用不同的接入方法，可以用于不同的功能。

以我粗浅的理解，这种小三角叫做运算放大器吧，基础的功能应该就是放大信号的，比如读取nA级别的电流。我就先去B站学习一下正常运放的功能。

很神奇的元器件，可以把信号放大1万倍，放大器的简单介绍_哔哩哔哩_bilibili

自己动手DIY音频功放系列之（5）——运放同相反相比例运算和T型网络_哔哩哔哩_bilibili

我大概了解了一下，再来看上面那个图：

 这里面文献它说的是一个是电流转电压的跨阻抗放大器，一个是变换器。两个接入方法几乎是一样的，只是变换器在输入端接上了一个1M欧的电阻。

我知道这种接法叫做反相放大器，意思放大出来的电压跟原来输进去的电压是相反的，正的变成负的，所以他它这样接就是倒转了两次把它倒转回来了。

下图是典型的反向放大器接法，跟上面一样，没有画出来的2和5接口是接电源的没关系：

 公式为：Vout=-Vin*Rf/Rin

所以它放大的比值就是它那两个电阻的比值，上图也就是说放大了10倍。

知道这个关系后，我们再看文献中那个图a，我们就可以知道第一个的连接方法是让想它信号放大，但是它输入端没有串联电阻，所以这个放大倍率是放到最大？反正肯定放大了没有错哈哈。然后边一个的被称为变换器的，它就两个电阻都规规矩矩接上了，而且阻值相同，所以只是起了反相的作用。最后出来的就是正的电压信号了。

至于为什么没有用同相放大器的方法，可能的原因在第二个b站链接，正相和反相的优缺点有提到。

上图就是文献中整体的结果图，单看Glu葡萄糖，就知道这个电路把nA级别的电流信号放大成mV级别的电压信号了，还可以。（这些图看上去假假的）

接下来我们继续看回还没完的原理图：

 这个也是用了LT1462做的，目的应该就是为了处理一下噪声。这种低通滤波器目前我只知道功能，具体的原理还没有看，硬件手册里提供了一种连接的方式，不过频率不同：

 

滤波器的内容我会在接下来时间继续研究，先不急。

再后来就是给单片机进行模数转换。

文献里使用的单片机是ATmega328P，也就是Arduino那个最经典，所以我买了个开发板回来玩玩，这些就是后续的学习了。

本章总结：

起码简单搞懂了文献中葡萄糖检测的基本逻辑和制备方法，在下一章，我将会根据实验室的具体条件，制备电极，先用电化学工作站看看结果，看看与文献的差距在哪里。