微型电化学工作站设计及其在汗糖检测中的应用

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目前用于人体生命体征监测的可穿戴传感器,如心电、血氧等,技术发展较成熟且已实现商业化,但这类传感器无法在生物分子水平上提供关于人体的生理信息。汗液作为人体生物体液的重要组成部分,其成分包含着大量与人体新陈代谢有关的信息。汗液成分分析可以帮助了解人体健康状况。研究表明汗液葡萄糖浓度与血液葡萄糖浓度成正相关,因此可利用汗液葡萄糖浓度检测实现人体葡萄糖水平的监测。与传统血糖检测方法相比,无创汗糖检测避免了疼痛和交叉感染。电化学传感器在众多传感器中发展最为迅速,利用不同电化学传感方法可实现对人体体液中多种生物标志物的检测。与此同时,电化学传感技术与电极制造技术的进步使得可穿戴电化学传感器成为可能。结合智能化硬件电路,本文设计了一款功能丰富且集成化的微型电化学工作站,可实现人体汗液葡萄糖的连续检测。本文设计的微型电化学工作站主要包括三电极模拟采集前端、模拟数字转换电路、电源管理电路和嵌入式微处理器及其外围电路等关键模块。通过模式选择和参数设置可以实现循环伏安扫描、线性伏安扫描、计时电流扫描和阶跃电势扫描等功能,同时利用卡尔曼滤波算法进行数据平滑和处理。与商业电化学工作站对比,大大降低了可穿戴传感器的成本,缩小了硬件尺寸。此外,本文设备与其他小型电化学工作站相比,具有更丰富的扫描功能,更宽的扫描电压范围和扫描精度,更高的电流检测精度等突出优势。基于智能手机的无酶汗液葡萄糖检测手环,利用无酶葡萄糖检测原理,设计了多步电位法检测葡萄糖浓度方案。利用n RF52840单片机的蓝牙通信功能,将检测结果实时无线传输到手机应用程序APP中。同时将基于电化学电镀技术的三电极与微型电化学工作站集成到同一电路板中,设计为可穿戴式检测手环。传感器的线性范围为0-4 m M,得到回归方程为:4)()=-15.8126-9.810(mM),R~2=0.9920。手环的使用方法简单,操作便捷,检测的准确性高。
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