随着智能手环、智能手表、健身跟踪器、智能服装、智能医疗配件、数据手套等智能可穿戴设备日益融入人们的日常生活，医疗保健、健身和健康领域的可穿戴传感器市场正在快速增长。
这些可穿戴电子产品包含多个关键组件——传感器、执行器、电子电路以及储能或发电装置，所有这些都必须整合在一个小型化的设计中。第一代可穿戴设备主要由可拆卸组件组成，第二代则开始转向织物嵌入式传感器、执行器和治疗解决方案。此外，许多近期的新设备开始基于纳米材料和/或纳米技术的驱动型设计。
近年来，口罩成为可穿戴传感器技术的一个热门研究方向。例如，已有研究报道了一种高舒适度的智能口罩，它可以监测佩戴是否合适以及咳嗽；另外，还有报道一种达到欧洲标准FFP2的防护口罩，当二氧化碳超过限值时会发出警报。
因而，可穿戴生物传感设备对多参数检测、复杂数据处理和实时无线数据传输的需求日益增长，使它们对供能的需求越来越高。
在这方面，（生物）燃料电池已被证明可以成功用于实验室平台的自供电葡萄糖传感器。主要挑战是实现自供电的可穿戴生物传感系统，需要包含实用且高效的能量收集器，以持续提供电力并检测生物传感信号，例如葡萄糖检测。
据麦姆斯咨询介绍，泰国松卡拉王子大学（Prince of Songkla University）的一个研究小组正在研究可穿戴设备的供能问题，同时在单只口罩上添加额外的生物传感功能。不仅如此，他们还致力于降低制造的复杂性和成本，以期最终实现商业化。
他们近期在Sensing and Bio-Sensing Research上以“Wearable energy devices on mask-based printed electrodes for self-powered glucose biosensors”为题发表了一篇新论文，首次介绍了在口罩上应用自供电生物电子学的案例，使这款口罩能够持续自供电，并测量葡萄糖信号。
在这项研究中，研究小组展示了一种三合一口罩，可以实现：（1）自主获取能量（生物燃料电池）；（2）存储能量（超级电容器）；（3）指示葡萄糖浓度（生物传感器）。
自供电生物传感口罩示意图，它能够从葡萄糖中获取能量，实现自供电和葡萄糖监测。
“我们首次介绍了在口罩上利用葡萄糖和天然氧气实现酶生物燃料电池。”这项研究负责人，泰国松卡拉王子大学助理教授Itthipon Jeerapan表示，“这种小型生物燃料电池可以从人脸上的汗水中获取能量，并指示跟踪健康和营养相关的分析物水平。”
研究人员基于丝网印刷电极实现了这种三合一口罩的工程突破。这种电极在口罩上具有柔性，并含有帮助催化反应的活性功能材料（用于能量收集和生物传感），以及用于存储电能的超级电容器。由此制得了一种可以自供电的智能生物传感设备，并且支持批量制造，以满足商业化要求。
Jeerapan指出，柔性电极上功能化的酶——葡萄糖氧化酶，是收集电子（即发电反应）的关键。其收集的电量与葡萄糖浓度成正比，因此可以作为自供电检测的分析信号。
除了能量收集和生物传感外，电极上带有导电聚合物的纳米复合材料，可以为这种生物超级电容器存储电能。
自供电葡萄糖生物传感器
Jeerapan说：“我们的灵感来自于新冠疫情期间必须戴口罩的现状。因此，我们开始在传统口罩上添加额外的发电功能，同时为佩戴者监测他们的耐力和健康状况，或管理他们的营养消耗。”
研究人员现在正在寻求突破这个平台的极限。他们尝试将这种系统与其他传感器和能源设备相结合，制造能够检测多种分析物的自供电设备。此外，他们还在研究将这一概念扩展应用于可能与人体面部接触的其他目标生物分子（包括有毒污染物和病原体）。
结语
这项研究展示了一种用于葡萄糖检测口罩的新型自供电方案。研究人员开发的柔性电极具有增强的电容和良好的生物催化性能。这种口罩生物发电器件可以产生0.37 V的开路电压（OCV），最大输出密度为14 μW/cm²。对葡萄糖检测的适用性实验表明，自供电分析信号与葡萄糖浓度（可高至10.00 mM）成正比，检测限为0.22 mM。
通过利用这种新的基于口罩的传感器，有望将传统传感器转变为现实生活中可持续自供电使用的实用工具。可穿戴电子设备自供电单元的小型化，将能量收集和储存功能与生物传感功能相结合，使其非常有实用前景。可以利用该方案，并添加其他传感器，造福运动员或糖尿病患者。进一步的研究需要在真实的人体使用场景进行评估。在跟踪个人健康和体能表现方面，这种基于口罩的柔性器件有望赋能下一代智能织物和可穿戴设备。
延伸阅读：
《糖尿病管理技术及市场-2022版》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
