基于有機電化學晶體管的柔性可穿戴汗液監測分析儀系統研究

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：1000-2367（2025）05-0045-07

隨著全民健身風潮的興起，健康成為人們關注的重點.以往的檢測技術需要通過采集人體血液來完成取樣且設備笨重龐大不易攜帶，還會對人體有創傷，而汗液不僅是由汗腺分泌的生物流體，還包含反映身體功能的代謝信息，如葡萄糖、乳酸、無機鹽離子、氨基酸、激素和蛋白質等[1J.汗液監測技術旨在通過監測汗液中的生物標志物來獲取健康信息，通過微信小程序界面提醒用戶及時補充水分和葡萄糖[2.相比血液和尿液分析，汗液分析具備無創性和實時性的優勢，設備小巧方便攜帶，通過皮膚表面的監測實現健康監測和疾病診斷[3.國外對此技術研究較早，技術較成熟;國內起步較晚，目前市場產品稀缺且價格較高，尚無法滿足需求.基于有機電化學晶體管（organic electrochemical transistor，OECT）的柔性可穿戴傳感設備可實時監測皮膚上的生物標志物，提升健康監測的便利性與舒適性.通過汗液分析，可提示早期疾病風險，如糖尿病和心血管疾病，并支持運動健康管理.實時監測汗液中的葡萄糖、乳酸、電解質及代謝產物，能夠評估運動水平、疲勞程度和脫水風險，優化運動表現并預防傷害，

1汗液監測分析儀結合OECT的技術

本設計在傳統電子采集電路、放大電路、數模轉換電路中加入電壓控制算法，精確控制激勵電壓.利用汗液中離子濃度變化所帶來的電流改變來驅動整個電路運作，通過算法對電流數據進行處理，實現汗液監測與分析功能.選擇葡萄糖作為檢測指標是因為其在代謝監測和疾病風險評估中的重要性.在此基礎上還增加了微信小程序監視和記憶功能.本設計特點如下：首先，采用具有高導電性、柔韌性和生物相容性的鈷 mof 材料作為OECT傳感器材料，通過摻雜調控其導電性能，使其更適合生物傳感器的應用.其次，設備設計輕便、符合人體工學的可穿戴形式，使用戶能夠在日常生活和運動中方便佩戴，并實時監測汗液中的生物標志物，實現無干擾的便捷體驗[4].最后，設備采用無創檢測技術[5]，本研究的重點在于評估系統在短時間內的靈敏度和響應特性.

2 OECT的工作原理

OECT源于有機場效應晶體管（OFET）技術，與需要高電場注入電子的傳統OFET不同，OECT通過液態電介質與導電聚合物的結合，在低電壓下實現電子輸運，適用于靈敏生物傳感器、可穿戴設備及高性能電子器件的制備.

OECT通常由源極、漏極和柵極組成.源極和漏極通過導電聚合物薄膜連接，柵極由電解質和有機半導體薄膜組成，調節源極和漏極間的電流，柵極可由金屬電極、有機半導體和電解質構成，使用納米結構以增加表面積和提高載流子擴散速度.關鍵部分包括導電聚合物、液態電介質和金屬電極.

OECT通過在柵極和源漏極之間施加電壓來控制電流，其工作原理基于電解質門控晶體管的概念.OECT 的柵極是電解質，當施加電壓時，柵極中的離子會與OS層中的載流子相互作用，從而調節載流子濃度和流動性，如圖1所示.

圖1OECT的工作原理圖

Fig.1Workingprinciplediagramof OECT

OECT的工作原理基于液態電介質與導電聚合物的相互作用，通過調節柵極電壓實現對電流的精確控制.通常情況下，基于PEDOT：PSS薄膜的OECT在耗盡模式下工作.當未施加柵極電壓時，空穴可自由通過通道，從而產生漏電流[6].當施加正柵極電壓時，陽離子注人通道減少空穴濃度，降低漏電流，逐漸關閉器件；施加負柵極電壓則注入負離子，增加空穴濃度，使器件逐漸打開，這種特性使OECT能夠靈敏調控電流，且廣泛應用于傳感器與電子器件.

在汗液葡萄糖檢測中，OECT電極表面的四氧化三鈷催化葡萄糖發生氧化還原反應，產生的法拉第感應電流改變柵極電壓，有效調控通道電流.由于電流信號強度與汗液葡萄糖水平成正比，可通過電流變化實現對葡萄糖濃度的實時監測，為健康管理和疾病檢測提供重要支持.

3 硬軟件原理分析及電路圖

本文所設計的汗液監測儀具有測量OECT的特性曲線和汗液監測的功能.該監測儀通過電路復用，和預留接口的方式，通過調節監測儀內部程序的參數，實現兼容OECT類型與三電極類型傳感器的測量.本文重點對OECT類型傳感器的監測原理進行分析.ESP32微控制器作為監測儀的核心模塊，負責輸出驅動信號[7]、接收和處理采集數據，同時發送控制命令以調度系統功能模塊.信號轉換模塊將 ESP32的數字信號轉為OECT驅動電壓，并將OECT的工作電壓和電流轉換回數字信號供ESP32 處理.狀態指示電路則通過燈光顯示監測儀的充放電狀態、連接狀態和電量信息，結構如圖2所示.

圖2汗液監測儀結構框圖

根據晶體管的工作原理，設計了各模塊的電路.OECT 測量部分通過 ESP32 微控制器提供柵極驅動電壓[8]和漏極控制電壓，同時采集漏極電流以獲得場效應管的輸人、輸出特性曲線及參數.汗液監測儀硬件包括ESP32微控制器、OECT測量電路、DAC、ADC和按鍵控制電路.模塊化設計簡化了硬件開發和調試.整個系統的硬件設計采用嘉立創EDA軟件進行原理圖繪制和PCB設計.

3.1 ESP32微控制器介紹

ESP32是一款集雙核處理器、低功耗功能、無線通信和豐富外設于一體的高度集成低功耗系統級芯片（SoC），廣泛用于物聯網應用.主核采用TensilicaXtensaLX6架構，主頻達 240MHz ，可執行大多數應用程序任務[9];副處理器核心提供輔助計算和多任務能力.雙核支持FreeRTOS，具備出色的并行處理和任務管理性能，可靈活控制各功能模塊.

3.2 OECT測量電路

OECT 測量電路由柵極驅動電路、漏極電壓控制電路和電流采集電路構成.采用DAC芯片即原理圖 3～ 4中的 U₁ 與 U₃ ，其中 U₁ 輸出電壓信號通過柵極驅動電路以驅動OECT柵極， U₃ 輸出穩定可控的電壓信號通過漏極電壓控制電路以驅動OECT漏極.漏極電流采集電路通過采樣電阻將漏極微弱電流信號轉化為電壓信號送人ADC芯片的通道1.ADC芯片通過 I²C 協議將電壓信息發送給ESP32微控制器

3.2.1 柵極驅動電路

OECT的柵極驅動電壓較高， U₁ 的驅動能力較弱，所以需要對 U₁ 的驅動能力進行增強，因此采用運算放大器組成差分放大電路對其驅動能力進行增強.運算放大器采用TL082芯片，該芯片是一種雙運算放大器，具有輸出短路保護功能和低噪聲特性，和寬電源電壓工作范圍[10].在本系統中芯片采用的工作電壓范圍為 ±3.3V ，其柵極驅動電路如圖3所示.

圖3OECT柵極驅動電路Fig.3OECT gate drive circuitry

3.2.2 漏極電壓控制電路

漏極電壓控制電路基本原理與柵極驅動電路基本相同，區別在于在運放輸出電壓對互補對稱式乙類功率放大電路有增強功效，且能提高電路的帶負載能力.OECT漏極電壓控制電路如圖4所示.

圖4OECT漏極電壓控制電路

3.2.3 漏極電流采集電路

由于OECT的漏極電流變化范圍大，無法直接通過ADC采集，需要將其轉換為電壓信號并經過電平平移和放大處理，再通過ADC 轉換為數字信號發送給ESP32 微控制器.由于采集到的信號屬于微弱信號，且該信號存在共模噪聲，因此需要儀表放大器來用于抑制共模噪聲，同時轉換和放大電流信號，并保持采集電路與OECT工作電路的獨立.具體設計是在OECT漏極電路中串聯一個精度為 0.1% 的 10Ω 采樣電阻，因為儀表放大器INA128的共模抑制比最高可達到 120dB^[11] ，所以采用該儀表放大器對采樣電阻兩端電壓進行平移和放大，然后使用ADC芯片對儀表放大器的輸出信號進行采集，最終發送給ESP32（如圖5所示），其中穩壓二極管用于保護ADC通道，防止電壓過高導致損壞.

圖5OECT漏極電流采集電路

Fig.5 OECT drain current acquisition circuit

3.3 電路封裝

在系統投入實際運行前，需要將調試階段所有模塊集成封裝到一起，通過繪制PCB 電路制作PCB 電路板，這樣不僅可以對電路起到保護作用，也防止產生元件虛接的風險，能延長設備壽命.主控電路的PCB 電路和最終焊接實物見附錄圖S1所示.

4軟件設計與流程

4.1 軟件設計總體方案

本章主要介紹了柔性可穿戴OECT多參數汗液監測分析儀的軟件功能設計，分為下位機（基于ESP32單片機構成的監測電路以及程序）部分和上位機部分（使用微信小程序設計藍牙通信和控制界面）2個部分.主要流程框圖如附錄圖 S2所示.主要實現功能如下：1）搜尋藍牙設備并與其建立連接;2）實現上位機指令的發送與下位機數據的實時接收功能[12]；3）實現數據的跨頁面傳輸.

上位機部分，主要是借用低功耗藍牙通訊實現的微信小程序設計.相比于經典藍牙，其最大特點是擁有超低的運行功耗和待機功耗功能[13].該程序可調用藍牙服務，與監測裝置進行藍牙連接和數據傳輸.同時實時繪制監測數據曲線并提供數據保存功能.通過這些軟件功能的設計，實現了監測裝置與移動終端之間的數據采集、傳輸、實時監測和后續分析的有機結合.

下位機部分，OECT產生的電信號需要經過電信號采集電路和AD轉換芯片處理.ESP32通過GPIO模擬 I²C 配置AD芯片工作模式，并讀取其輸出的數字量最終通過計算得到模擬電壓值[14].整個系統采用 I²C 總線連接，通過GPIO口模擬 I²C 總線對ADS1115的寄存器進行配置和讀寫控制.AD轉換模塊流程圖如附錄圖S3所示.

在OECT測量過程中需要的驅動信號為穩定電壓.為了實現這一操作，需要通過DA轉換模塊相關寄存器的讀寫函數編寫來實現[15]，以根據DA 轉換芯片的相關寄存器配置 DA轉換芯片工作模式來生成激勵信號.DA轉換模塊流程圖如附錄圖S4所示.

通過以上軟件功能的設計與實現，可使得監測裝置采集的數據能夠及時、準確地傳輸至移動終端，為用戶提供一個全面、高效的監測方案.同時，本系統還具有操作簡單、數據顯示直觀等特點.

4.2 下位機軟件算法

OECT柵源極電壓的波動會嚴重影響電流檢測結果，因此本設計引入了增量式PID算法對柵源極電壓進行閉環控制.PID控制器可以顯著提高電路中源極和漏極電壓的穩定性[16].這種算法通過計算控制輸出的增量 來避免累積誤差引起的不穩定問題.

增量式PID算法根據當前誤差和控制系數計算輸出增量，更新控制輸出.傳感器測量電壓誤差，調整電源輸出，使電壓穩定[17].此過程在負載變化或干擾下保持高精度和穩定性.

4.3 數據平滑處理

數據平滑處理旨在減少數據中的噪聲并提取重要的趨勢和特征.Savitzky-Golay 濾波器通過局部多項式擬合來平滑數據，能減少噪聲同時保留數據的趨勢和特征.相比于滑動平均濾波器，它更能保持信號的原始形態，并有效減少隨機噪聲的影響.關鍵參數包括窗口大小和多項式階數，窗口大小須為奇數且大于多項式階數，決定擬合的數據點數，多項式階數則決定擬合的復雜度.盡管在數據邊界處可能產生邊界效應，但通過適當處理可以減小這種影響.Savitzky-Golay 濾波器在數據平滑和特征保留之間取得良好平衡，廣泛應用于各類信號和數據分析任務.

5 系統測試與分析

5.1 OECT有效性和靈敏度測試

主要測試在單片機電路是否正常工作，上位機與下位機連接是否無誤，用戶在使用過程中，客戶端能否及時且準確檢測出汗液中葡萄糖含量的變化，生成曲線圖并與電化學工作站中檢測出的含量進行對比驗證.

為驗證所使用OECT對葡萄糖監測的有效性和靈敏度，使用電化學工作站對OECT葡萄傳感器進行有效性和靈敏度檢測，設置其柵極電壓 U_g=0.6V ，源極電壓 U_s=-0.2V ，將OECT放人仿生汗液中，分別依次滴加汗液中的生物標志物，實驗中采用的是 100μmol 鈉離子、鉀離子、尿素、尿酸、多巴胺、花生四烯酸、葡萄糖溶液觀察溶液中電流值的變化，從圖6可以看出，當加入鈉離子、鉀離子、尿素、尿酸、多巴胺、花生四烯酸時，電流均無明顯變化；當滴加葡萄糖溶液時，電流有了明顯變化.由此可見OECT對葡萄糖檢測的有效性.

為驗證設備對葡萄糖檢測的靈敏度，設置了對比試驗，分別使用電化學工作站和該設備對葡萄糖進行靈敏度驗證.OECT葡萄糖傳感器可通過源漏電流值的變化來反映溶液中葡萄糖濃度的改變，設置其柵極電壓（20號 U_g=0.6V ，源極電壓 U_s=-0.2V ，將OECT放入仿生汗液中，不斷加人純凈水進行稀釋，由圖7可知，在0～300 s期間，隨著稀釋的不斷進行，源漏電流值不斷降低，在其運行310s時加入 100μmol 的葡糖糖溶液，從圖7中可以看到隨著葡糖糖溶液的加入， I_d 逐漸增大.在運行460s后再次加入 100μmol 的葡糖糖溶液，可以觀察到 I_d 再次增大.在同等條件環境下，改用該設備進行檢測，在08：04：59，溶液中電流絕對值為0.04mA ，隨著310s時加入 100μmol 的葡糖糖溶液，電流值開始上升，同理，在08：08：04，電流絕對值上升至 0.0786mA ，符合運行460s后再次加入 100μmol 的葡糖糖溶液這一情況.

圖6電流選擇性變化 Fig.6 Changes of current density

圖7源漏電流隨葡萄糖質量濃度變化圖

Fig.7 Variation of source leakage current with glucose concentratior

5.2 整體測試

將OECT傳感器與本文設計的便攜式汗液檢測儀進行連接，并將其佩戴（附錄圖S5）.即可通過該儀器對汗液中的葡萄糖質量濃度進行監測.為使用戶清晰得知汗液中葡萄糖的變化，在用戶界面將電流值替換成葡萄糖質量濃度.在運動 10min 后，汗液采集貼片收集到一定的汗液后，開啟檢測，小程序界面上的葡萄糖質量濃度隨著運動的不斷進行緩慢下降，在運動開始后的 15min 補充葡萄糖，在運動開始后的 25min 時汗液監測儀監測到葡萄糖含量有明顯的上升，由此可以判斷，該監測儀能夠監測到汗液中的葡萄糖質量濃度的變化.

6結論

本文設計了一款基于OECT的柔性可穿戴汗液監測分析儀，能夠實時監測汗液中葡萄糖的含量變化，可以在用戶進行體育活動時，實時記錄和反饋汗液中的葡萄糖質量濃度，還能夠通過無線傳輸技術，將這些數據即時發送到用戶的手機端，提醒用戶及時補充營養物質，以維持身體的最佳狀態，避免因低血糖或營養不足引起的不適和健康問題.此產品可應用于運動健康管理、臨床醫學等方面.后續會讓監測功能更加多元化.

附錄見電子版（DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2024.11.12.0001）.

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Study of a flexible wearable sweat monitoring analyser system based on OECT

Wang Changqing，Ma Xueru，Chen Jingyu，Han Yang，Shi Junxi （College of Electronic and Electrical Engineering，Henan Normal University，Xinxiang 453o07，China）

Abstract：Flexible wearable sensor devices，due to their ability to closely conform to the body，comfortable wearing experience，and numerous otheradvantages，havebecomeafocus of research.Sweat，asoneof the body's primary metabolic products，reflects physicalconditions throughitscompositionalchanges.Thedesigned wearablesweat monitoringanalyzercollects sweatfromhumanskinusingamicrofluidic sweatcolectiondeviceandutilizesanOECTtonon-invasively，inreal-time， andcontinuously monitor physiological biomarkers in sweat.This study employs the ESP32 as the main controlertoachieve low-power Bluetoothcommunication and controlof system operating parameters.Aditionally，an application wasdeveloped for smart mobile devices to enable bidirectional communication with the hardware circuit.

Keywords：sweat monitoring；ESP32；electrochemical sensor; OECT； flexible；low power bluetooth；wearable

圖S1PCB封裝圖Fig.S1 PCB package diagram

圖S2系統軟件設計流程圖Fig.S2 System software design flowchart

圖S3AD轉換模塊流程圖

圖S4DA轉換模塊流程圖

圖S5設備展示圖Fig.S5Equipment display