Умные биосенсоры: точный мониторинг здоровья на коже

Развитие сенсорных технологий и искусственного интеллекта (ИИ) открывает новые горизонты для создания усовершенствованных носимых устройств. От фитнес-трекеров до систем мониторинга специфических заболеваний – современные гаджеты становятся всё более точными. Ключевым компонентом многих из них являются биосенсоры – устройства, способные в реальном времени преобразовывать биологические реакции в измеримые электрические сигналы.

Однако существующие носимые электроники, несмотря на свою популярность, иногда сталкиваются с проблемой неточных или искажённых данных. Изгибы сенсоров, влажность и колебания температуры могут приводить к погрешностям и постепенным изменениям показаний (дрифтам), не связанным с измеряемым сигналом.

Исследователи из Стэнфордского университета разработали инновационные биосенсоры, вдохновлённые структурой кожи и основанные на органических полевых транзисторах (OFET). Эти устройства, использующие органические полупроводники для управления потоком тока, обладают уникальной конструкцией, позволяющей получать надёжные данные даже в сложных условиях.

«Мы стремимся создавать носимые химические биосенсоры для мониторинга важных биомаркеров в поте», — пояснил профессор Чжэнань Бао, руководивший исследованием. «Наши органические биоэлектронные устройства, имитирующие кожу, могут бесшовно интегрироваться с человеческим телом, предоставляя идеальную платформу для отслеживания биомаркеров. Существующие мягкие биосенсоры страдают от внешних факторов, таких как изгибы, растяжения, влажность и изменения температуры, что вызывает артефакты и дрифты».

Основной целью команды было создание нового мягкого и эластичного биосенсора на основе OFET, свободного от дрифтов. Это означает, что он должен точно записывать целевые сигналы, независимо от внешних или механических воздействий, и быть адаптируемым для мониторинга широкого спектра показателей. Разработанный биосенсор имеет новую конструкцию, объединяющую «близнецы» из эластичных OFET.

«Эти два эластичных OFET имеют идентичные слои материалов, одинаковые размеры каналов и расположены очень близко друг к другу», — объяснил Чуаньчжэнь Чжао, первый автор исследования и постдок Стэнфордского университета. «Благодаря этому они дрейфуют одинаково и реагируют на внешний шум аналогично. С помощью диодного соединения мы смогли выполнить вычитание, которое устраняет все общие дрифты. Включая отдельные адресуемые затворы, функционализированные целевыми и референтными биорецепторами, после вычитания отображаются только сигналы от биомаркеров, что обеспечивает получение результатов биосенсинга без дрифтов».

В ходе серии тестов учёные подтвердили, что их биосенсор значительно снижает ошибки записи, вызванные движением, теплом и влажностью. Было продемонстрировано, что датчик надёжно отслеживает уровни различных целевых веществ в поте пользователя, включая кортизол, глюкозу и натрий.

«Наши OFET-сенсоры впервые существенно подавили искажения сигнала более чем в 100 раз, вызванные нестабильностью смещения, одноосным растяжением (до 100%), сжатием (до 50 мН) и температурными колебаниями (25–40 °C)», — отметил Чжао. «Транзисторные биосенсоры впервые стали невосприимчивы к дрифтам и внешним вариациям окружающей среды. Мы продемонстрировали применение на теле кортизола в поте, что может быть использовано для количественной оценки психических состояний и ранней диагностики психических расстройств».

Для демонстрации потенциала в реальных медицинских приложениях исследователи интегрировали свой биосенсор с гибкой схемой и приложением для смартфона. Устройство смогло определять уровень кортизола в поте пользователя, что, в свою очередь, позволяет отслеживать его стресс и тревожность в реальном времени.

Разработку можно будет усовершенствовать и протестировать в более широком диапазоне сценариев. В будущем это может привести к созданию более точных биомедицинских устройств, способных надёжно отслеживать сигналы, связанные с определёнными психическими или физическими состояниями.

«Дополнительные монолитно интегрированные схемы обработки сигналов, такие как операционный усилитель, могут быть интегрированы для дальнейшего улучшения соотношения сигнал/шум и чувствительности», — добавил Бао. «Мы также заинтересованы в разработке полностью мягких и эластичных химических электронных кож, объединяющих датчики, обработку сигналов, питание и беспроводную передачу данных».