フレキシブルな電荷結合素子を利用した高感度ウェアラブルpHセンサー
A wearable pH sensor with high sensitivity based on a flexible charge-coupled device
2018年11月12日 Nature Electronics 1 : 11 doi: 10.1038/s41928-018-0162-5
フレキシブルな化学センサーをウェアラブルデバイスとして使用することで、人間の汗から様々な健康状態を連続的にモニタリングすることができる。汗中の化学物質を電気化学的に計測する場合、その感度はネルンストの式により定義され、pH感度の場合、室温でpH１単位あたり約59ミリボルトが限界である。今回我々は、フレキシブルな電荷結合素子(CCD)を用いて高感度フレキシブルpHセンサーを開発する。また、同時に温度センサーの開発及び集積化を行う。本pHセンサーは、電子の電荷転送及び蓄積回数を増やすことで、pH１単位あたり約240ミリボルトの感度を実現することができる。これは理論限界の約４倍である。さらに、集積化されたフレキシブル温度センサーを使用することで、pH 検出の温度依存性を補正すると同時に皮膚温度をモニタリングすることができる。実証試験として、CCD構造によるフレキシブルpHセンサーと温度センサーを人に貼付することで実際に汗のpHと皮膚温度をリアルタイムモニタリングする。
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Flexible chemical sensors could be used to create wearable devices that continuously monitor a variety of health conditions through the analysis of a person’s sweat. Current wearable pH sensors for sweat monitoring have a limited pH detection sensitivity at room temperature of about 59 millivolts per pH unit, which is determined by the Nernst equation. Here we show that a sensitive pH sensor can be created using a flexible charge-coupled device (CCD) and integrated with a temperature sensor. Our CCD-based pH sensor can, through accumulation cycles of electron charge transfer, achieve a sensitivity of around 240 millivolts per pH unit, which is roughly four times larger than the Nernst theoretical limit. Furthermore, the integrated flexible temperature sensor can be simultaneously used to compensate for the temperature dependence of the pH detection and to monitor skin temperature. As a proof of concept, we demonstrate that our CCD-based chemical sensor can be used to monitor the sweat pH and skin temperature of a person in real time.
