港大团队首次实现电化学晶体管传感技术的集成可穿戴应用 | 科技导报

在可穿戴健康检测设备中，生物电子传感系统是核心组成部分。近日，香港大学电机电子工程系助理教授张世明带领智能可穿戴（WISE）课题组宣布开发出一种可以读取人体微弱电化学信号的可穿戴微型生物电子传感系统，该系统可通过连续、个性化地监测人体的血糖、血液甚至汗液中的病毒抗体浓度，来帮助诊断糖尿病、心血管疾病以及心理健康状况等。

近年来，融合信息技术和生物医学工程等多学科知识的可穿戴健康检测技术逐渐成为学界的一大研究热点。从呼吸、体温到运动步数、睡眠质量，再到血压、血氧，科研人员试图不断拓展该技术的应用场景，以协助疾病的远程诊断，从而助力重大疾病的早期预防和管理。

在可穿戴健康检测设备中，生物电子传感系统是核心的组成部分。作为下一代生物传感技术的关键，有机电化学晶体管（Organic Electrochemical Transistors，OECTs）具有水稳定性高、灵敏度高，工作电压低和成本低等优点。然而，适用于OECTs可穿戴表征的小型无线数据读取单元迟迟未能研发成功。这一技术壁垒极大地阻碍了基于OECTs的可穿戴生物电子健康监测仪器的开发与推广。

近日，香港大学电机电子工程系助理教授张世明带领智能可穿戴（WISE，Wearable, Intelligent and Soft Electronics）课题组宣布开发出一种可以读取人体微弱电化学信号的可穿戴微型生物电子传感系统，质地柔软，体积小巧，“是全球同类技术中最细小的系统”，该系统可通过连续、个性化地监测人体的血糖、血液甚至汗液中的病毒抗体浓度，来帮助诊断糖尿病、心血管疾病以及心理健康状况等。相关论文发表于期刊《分析化学》（Analytical Chemistry）。

相关论文（来源：Analytical Chemistry）

这项成果是如何开发成功的？研发过程中攻克了哪些困难？它又具有怎么的应用前景？针对这些问题，《科技导报》专访了张世明教授。

《科技导报》：您可否简要介绍下团队此次研发的可穿戴微型生物电子传感系统？

张世明：简单来讲，我们开发了一个可穿戴微型生物电子传感系统（PERfECT，Personalised Electronic Reader for Electrochemical Transistor）。PERfECT可以读取人体微弱的电化学信号，体积为1.5厘米×1.5厘米×0.2厘米，重量0.4克，仅有硬币大小。PERfECT有潜力和智能手表、医用绷带等商用产品集成，以便持续监测我们的身体状况，例如糖尿病、心血管疾病以及心理健康状况等。

PERfECT系统的光学图像（来源：Analytical Chemistry）

《科技导报》：团队展开这一研究的初衷是什么？

张世明：我们的初衷是开发小型化、轻重量、低功耗、高精度的一体化全集成可穿戴健康检测系统，用于远程疾病诊断，推进电化学晶体管技术的可穿戴应用。

《科技导报》：这项研究用了多久完成？

张世明：这项研究的思想起始于2018年初。2019年我们在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上发表了初始研究结果。今年（2022年）系统开发全部完成，前后差不多用了5年的时间。

《科技导报》：在PERfECT开发过程中，团队遇到了哪些难题？

张世明：PERfECT开发过程中的主要难题有两个。第一个是面向传感器特殊应用的定制化设计。第二个是面向集成系统开发的跨学科统筹。

定制化方面，我们研发的是一类特殊的电化学晶体管传感器（OECT），这类传感器具有低工作电压和高灵敏度的优势。我们需要PERfECT系统在小尺寸、低重量、低功耗的前提下，同时实现对电化学性能和晶体管性能的双重表征，且测量精度要和大型仪器相当，以便精准的读取传感器数据。

跨学科统筹是PERfECT系统开发的另一个难题。开发PERfECT系统需要传感材料、传感电极、电化学、微电子、无线通讯、软件、AI等多学科领域的前沿交叉。需要有不同学科背景，专业互补的科研人员紧密协同工作，以解决学科间语言障碍，给出最优的设计和集成方案。

团队为了实现最优的、最实用的设计方案，用于调试的样机就制备了十多个批次，尺寸从刚开始的手机大小，一直到现在的硬币大小。重量从几十克，到现在的0.4克。每次设计优化和系统升级，都得益于团队成员从不同的视角给PERfECT提出的建议。

《科技导报》：现阶段，可穿戴微型生物电子传感系统有哪些类型？

张世明：面向不同应用，可穿戴生物电子传感器可以分为多种类型。典型的系统包括光学类传感系统（监测血氧、脉搏等），物理类传感系统（监测触摸、呼吸等），以及化学类传感系统（如颜色指示剂）等。

目前，在体液生物标记物、体液分子信息检测方面，还是以电化学检测技术为主。电化学技术的主要优势体现在成本低，易于使用，市场接受度也不错。典型的例子包括市场上已有的指尖式和连续血糖检测仪。

演示PERfECT在可穿戴应用中的使用（来源：Analytical Chemistry）

《科技导报》：相比于其他类似成果，您这次研发的可穿戴微型生物电子传感系统的最大优势是什么？

张世明：我们研发的电化学晶体管传感器（OECT）被认为是下一代的电化学检测技术之一。1984年Wrighton等人首次报道了该技术。2004年Malliaras等人首次利用该技术开发了葡萄糖生物传感器，其传感优越性在过去20年左右的时间得到了比较充分的验证。

相比于传统电化学技术，电化学晶体管传感器信噪比更高，线性检测区间可调，内置的晶体管单元使传感器利于和AI等计算单元深度集成。此外，该系统可以不使用参比电极，避免了由于参比电极性能退化引起的使用寿命降低等问题。

PERfECT与先前报告的EC/ECT读出系统之间的对比（来源：Analytical Chemistry）

我们的优势体现在，PERfECT在国际上第一次实现了电化学晶体管传感技术的集成可穿戴应用。开启了该技术和智能手表，医用绷带等可穿戴产品集成的大门。

《科技导报》：可穿戴微型生物电子传感系统行业的发展趋势和应用前景如何？

张世明：可穿戴生物电子传感领域现在正在快速发展，未来的应用前景也很广阔。主要有以下三个驱动力。

第一个是应用驱动。疫情隔离、人口老龄化、生活水平提高等因素使得人们的健康意识上升到了新的层次，因此，人们对医疗市场提出了数字健康、远程医疗、个性化医疗等愿景。

第二个是技术驱动。我们目前正处于人类历史上第三次技术革命（信息革命）和第四次技术革命（智能革命）并行的特殊的时间点上。自1962年Clark发明葡萄糖生物传感器以来，过去60年里，免疫分析、酶技术、膜技术、电化学技术、微电子、电池技术、无线通讯技术、AI等不同学科技术急速发展且市场条件日趋成熟。这些前沿技术的深度交叉和有机集成，使得可穿戴健康系统的进一步小型化和智能化成为可能。

第三个是社会的积极反馈和参与。目前来看，政府、社会、学术界、工业界等对可穿戴技术都很看好，投入程度也在逐年增加。

在行业影响方面，我们认为PERfECT会和其他相关技术一起，推进可穿戴健康技术的向前发展。

《科技导报》：关于此次的研发成果，您认为是否还有值得优化的地方？

张世明：应该说目前开发的系统已经可以和智能手表等可穿戴设备集成，所有独立单元也已经做了针对性的优化，且能进行多通道数据并行采集。如果说仍有值得优化的部分，那应该是在能耗管理方面，这个也是目前可穿戴传感系统面临的共同问题。

可穿戴系统需要连续测量健康状况，且对数据进行实时分析，因此电量消耗更大。能耗优化可以分为三个方面。

第一，降低用电量。虽然电化学晶体管传感器本身的功耗已经很低（微瓦量级），但是用于数据处理的模拟芯片，数据传输的无线芯片的总功耗在10mW以上，仍有较大优化空间。

第二，增加供电量。电池技术可在在高续航，低重量，柔性化等角度针对性优化，以满足连续测量需求。

第三，采用无需无线数据传输的原位计算（edge-computing）方案，实现低能耗的闭环（closed-loop）管理。

《科技导报》：您预计这项科研成果何时能够实现大规模应用？

张世明：这项技术目前可以说已经具备大规模生产和应用的潜力。应同行所需，我已经批量生产了100多套PERfECT系统。未来大规模应用能否实现、何时实现，取决于传感器本身能否在已有灵敏度优势的基础上，通过重复性、稳定性、自校准等市场化多重考验。我们实验室目前也在做针对性的科研攻关。

目前来看，可穿戴血糖监测的市场巨大。各大厂商也都在发力开发下一代微创血糖检测技术。我们目前也正在科技部、香港特区政府和深圳市政府的联合支持下探索PERfECT平台在可穿戴微创血糖监测方面的应用潜力，针对性地优化传感器相关指标，以期满足市场化标准。

除此之外，PERfECT系统在心脑血管疾病护理、心理健康评估、癌症早期预防、传染病防控等领域也可能有潜在的应用场景。

《科技导报》：回望PERfECT的整个研发过程，您可否谈下，在基础研究中如何进行创新思考？

张世明：仅对可穿戴生物电子领域研究，我个人在科研和教学上有以下几点感悟。

1）知识脉络梳理。要善于对所在领域知识发展历史脉络进行梳理，温故知新。譬如，第一篇文献是谁发表的，在什么背景下发表的，当时作者的想法是什么。之后精读领域内里程碑式的经典文献，并做串联理解，了解发展脉络，有助于预测未来的发展方向。

2）跨学科意识。可穿戴生物电子是一个高度跨学科的研究领域，需要不同学科的紧密合作。可穿戴生物电子设备的研发过程，既需要课题组内拥有不同学科的人才，也需要跨课题组、跨院系的紧密合作。要和医院、工业界紧密联系，以全面、准确、及时地了解众多应用需求。

3）专注，坚持。研究人员要瞄准领域内最前沿的科学或工程问题，找到自己的立足点，不跟风，以实际问题为导向，解决真问题。

4）国际会议。多出席国际同行参加的学术研讨会，是了解学科发展前沿和动态的重要途径。张世明表示，“我个人的很多研究灵感，都是在国际会议上，和领域内专家讨教，讨论时激发出来的。”

5）质疑精神。质疑（skeptical）、批判（critical）、分析（analytical），层层递进。要敢于抽丝剥茧，刨根问底式的问问题，把问题问到根上。“大道至简”。目前信息多，泡沫也多。没有质疑精神，就很有可能被华而不实诱惑，难以做到解决真问题，也很难有真创新。

《科技导报》：您可否谈谈团队下一阶段的研究计划与目标是什么？

张世明：通过开发下一代智能可穿戴诊疗技术，促进从“以医院为中心”向“以人为中心”的健康诊疗体系变革。这也是我们港大WISE的愿景。

参考文献：

Xinyu Tian, Dingyao Liu, Jing Bai, KaiSan Chan, Long Ching Ip, Paddy K. L. Chan, and Shiming Zhang,Pushing OECTs towardWearable: Development of a Miniaturized Analytical Control Unit forWireless Device Characterization,Analytical Chemistry 2022 94 (16),6156-6162.

DOI: 10.1021/acs.analchem.1c05210

论文作者：田新宇，刘丁侥，白靖，陈启燊，叶朗澄，陈国梁，张世明作者简介：田新宇，香港大学电机电子工程系，博士生，港大WISE课题组，研究方向为可穿戴小型化表征仪器，全集成智能可穿戴系统；刘丁侥，香港大学电机电子工程系，博士生，港大WISE课题组，研究方向为软体生物电子传感器，软体集成电路；白靖，香港大学电机电子工程系，博士生，港大WISE课题组，研究方向为全打印软体电子电路工艺，软体类脑神经电路；张世明，香港大学电机电子工程系，助理教授，香港大学WISE课题组首席研究员（PI），研究方向为智能医疗可穿戴系统，软体生物电子，软体类脑芯片等。

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