Tutto sui sensori del sudore / All about sweat sensors

 Tutto sui sensori del sudore / All about sweat sensors

Segnalato dal Dott.Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I sensori indossabili sono stati progettati per raccogliere dati fisiologici dal sudore.  /  Wearable sensors have been engineered to collect physiological data from sweat. Fonte: University of California Berkeley

La sudorazione è un meccanismo mediante il quale piccoli volumi di fluido vengono prodotti dalle ghiandole sudoripare di una normale persona adulta, in varie condizioni di temperatura. Il prodotto dell'azione eccrina delle ghiandole sudoripare, il sudore è prontamente disponibile dalla superficie della pelle ed è ricco di dati biochimici tra cui elettroliti (ad esempio, ioni di potassio e sodio) e metaboliti (come glucosio e lattato). Il sudore è un biofluido immensamente importante poiché può essere raccolto utilizzando tecniche non invasive rispetto ad altri biofluidi come il sangue.

Fino a poco tempo fa, il rilevamento del sudore basato sulle ghiandole sudoripare eccentriche è stato un campo di studio trascurato, in particolare per i sensori indossabili . Ma con la produzione di sensori con stimolo del sudore integrato, ora è possibile effettuare un campionamento costante del sudore. Con l'uso di array di rilevamento multiplex, il rilevamento del sudore è emerso come un

tecnologia in grado di fornire accessibilità e tracciamento costanti degli analiti, utilizzando mezzi non invasivi.

Analiti comuni del sudore

I biosensori del sudore analizzano tipicamente elettroliti come cloruro, potassio e sodio per analizzare il sudore per la sanità ed altre applicazioni. Sebbene l'analita di sodio sia noto per essere un buon biomarcatore per lo squilibrio elettrolitico, non ci sono informazioni che suggeriscano che il sodio presente nel sudore sia correlato al sangue. Anche allora, il sodio del sudore è stato recentemente utilizzato per associare livelli localizzati di sudore con perdita di elettroliti e fluidi corporei. Il potassio nel sudore e l'associazione del sangue devono ancora essere dimostrati, mentre il cloruro nel cloruro del sudore si è dimostrato utile nell'individuazione della fibrosi cistica.

Anche l'urea ed il lattato sono analiti presenti in quantità abbondanti ma non mostrano una forte correlazione tra sangue e sudore. L'associazione tra i livelli di lattato nel sudore ed i livelli di lattato nel sangue è difficile da determinare a causa della generazione extra localizzata di lattato da parte della ghiandola sudoripare durante la traspirazione. Sebbene al momento il lattato del sudore non possa essere specificamente collegato all'ambiente di tutto il corpo, può essere associato come minimo ai livelli di sforzo delle ghiandole sudoripare a seconda dell'ambiente del corpo intero. I livelli di urea nel sudore sono stati correlati al monitoraggio della disfunzione renale e possono essere visti sulla pelle dei pazienti infetti come croste bianche. Recentemente, è stato anche dimostrato che sensori di sudore flessibili indossabili misurano i livelli di etanolo e calcio nel sudore.

Tipi di sensori del sudore

Numerosi biosensori distinti basati sul sudore sono stati progettati per effettuare misurazioni fisiologicamente significative ed eseguire altri studi. Verranno ora descritti in dettaglio i fondamenti dei sensori di sudore elettrochimici, sensori di sudore con elettrodi ionoselettivi e sensori di sudore indossabili.

I sensori elettrochimici del sudore sono generalmente costituiti da tre o quattro elettrodi fabbricati su un substrato flessibile. Tali elettrodi sono definiti come catodo, elettrodo di riferimento, controelettrodo ed elettrodo di lavoro. L'elettrodo di riferimento ha un elettro-potenziale costante e identificato e quindi viene utilizzato come una semicella per determinare l'elettro-potenziale della seconda semicella, o elettrodo di lavoro. L'elettrodo di riferimento è solitamente costituito da argento / cloruro d'argento con le tensioni note che variano da 0,20 V a 0,25 V.

I sensori di elettrodi ionoselettivi sono dispositivi in ​​grado di trasformare un determinato comportamento ionico (ad esempio, dissolversi in un fluido) in un segnale che può essere letto. Utilizzando un'equazione elettrochimica - l'equazione di Nernst - la tensione può essere associata al logaritmo del comportamento ionico scelto, consentendo di ottenere la selettività attraverso la potenziometria diretta. Oltre all'elettrodo ionoselettivo come elettrodo di lavoro, è necessario un elettrodo di riferimento. Gli elettrodi ionoselettivi sono disponibili in tre configurazioni principali: membrane liquide (scambio ionico mobile), membrane allo stato solido (dove lo scambio ionico è fisso: ad esempio, cristallo e vetro) e come membrane di elettrodi speciali (ad esempio, gas sensibili) .

I sensori di sudore indossabili sono ampiamente classificati come flessibili e non flessibili. Per l'applicazione della raccolta di dati fisiologici dal sudore, i sensori di sudore indossabili devono essere posizionati vicino alla pelle per un'elaborazione ed un esame in vivo ideali, pur essendo in grado di sostenere un utilizzo complesso ed essere comunque adatti da indossare. Per questa analisi, i sensori flessibili indossabili sono scelti per andare con la superficie non planare della pelle umana. Ultimamente, con i progressi nella fabbricazione di sensori flessibili indossabili, i circuiti di elaborazione del segnale sono stati integrati ed incorporati in essi per analizzare i dati in tempo reale e trasmetterli in modalità wireless a un dispositivo intelligente od un computer. Per la trasmissione di dati wireless, Bluetooth è stata la tecnologia popolare a causa delle sue spese di installazione relativamente basse, requisiti hardware inferiori e buona compatibilità rispetto ad altri moduli wireless come Zigbee e Wi-Fi.

Conclusione

I sensori del sudore più comunemente usati sono sensori del sudore flessibili indossabili che possono essere utilizzati per rilevare vari analiti del sudore. La scelta del sensore di sudore flessibile indossabile dipenderà dall'analita e dalla sua applicazione corrispondente, ad esempio il rilevamento di una malattia o il monitoraggio delle condizioni corporee. Attualmente, con il progresso nei metodi di produzione dei sensori, più sensori possono essere incorporati in un sistema flessibile ed integrati con circuiti di elaborazione del segnale. Inoltre, l'integrazione di moduli di trasmissione dati wireless con sensori del sudore così avanzati ha anche reso possibile analizzare i livelli di analiti del sudore in tempo reale e trasmettere i dati in modalità wireless.

ENGLISH

Sweating is a mechanism by which tiny volumes of fluid are produced by the sweat glands of a normal adult person, under various temperature conditions. The product of eccrine sweat gland action, sweat is readily available from the skin surface and is abundant in biochemical data including electrolytes (for example, potassium and sodium ions) and metabolites (such as glucose and lactate). Sweat is an immensely important biofluid since it can be collected using non-invasive techniques relative to other biofluids like blood.

Eccrine sweat glands-based sweat sensing has been an overlooked field of study, particularly for wearable sensors, until recently. But with the production of sensors with integrated sweat stimulus, constant sweat sampling is now feasible. With the use of multiplexed sensing arrays, sweat sensing has emerged as a 

technology that can provide constant analyte accessibility and tracking, utilizing non-invasive means.

Common sweat analytes

Sweat biosensors typically analyze electrolytes such as chloride, potassium and sodium to analyze the sweat for healthcare and other applications. Though sodium analyte is known to be a good biomarker for electrolyte imbalance, there is no information to suggest that sodium present in sweat is related to blood. Even then, sweat sodium has been recently used to associate localized levels of sweat with electrolyte loss and whole-body fluid. Sweat potassium and blood association has still to be proven while chloride in sweat chloride has been demonstrated of value in the detection of cystic fibrosis.

Urea and lactate are also analytes present in abundant quantities but do not show a strong correlation between blood and sweat. The association between sweat lactate levels and blood lactate levels is hard to determine because of the extra localized generation of lactate by the sweat gland during perspiration. Although sweat lactate cannot presently be specifically linked to the whole-body environment, it can at the very minimum be associated with the levels of exertion of sweat glands according to the whole-body environment. Levels of urea in sweat have been related to the monitoring of kidney dysfunction and can be seen on the skin of infected patients as white crusts. Recently, wearable flexible sweat sensors have also been shown to measure ethanol and calcium levels in sweat.

Types of sweat sensors

Numerous distinct sweat-based biosensors have been engineered to make physiologically significant measurements and perform other studies. The fundamentals of electrochemical sweat sensors, ion-selective electrode sweat sensors and wearable sweat sensors will now be detailed.

Electrochemical sweat sensors usually consist of three to four electrodes fabricated on a flexible substratum. Such electrodes are termed as a cathode, reference electrode, counter electrode and working electrode. The reference electrode has a constant and identified electro-potential and thus is utilized as a half-cell to determine the electro-potential of the second half-cell, or the working electrode. The reference electrode is usually built up of silver/silver chloride with the known voltages varying from 0.20 V to 0.25 V.

Ion-selective electrode sensors are devices that can transform a certain ion behavior (for example, dissolving in a fluid) into a signal that can be read. By using an electrochemistry equation — the Nernst equation — the voltage can be associated with the logarithm of the chosen ion behavior enabling selectivity to be accomplished through direct potentiometry. In addition to the ion-selective electrode as the working electrode, there is a need for a reference electrode. Ion-selective electrodes come in three main configurations: liquid membranes (mobile ion exchange), solid-state membranes (where the ion exchange is fixed: for example, crystal and glass) and as special electrodes' membranes (for example, sensing gases).

The wearable sweat sensors are widely classified as flexible and non-flexible. For the application of gathering physiological data from sweat, the wearable sweat sensors should be placed near the skin for an ideal in vivo processing and examination, while still being able to sustain complex usage and still also being suitable to wear. For this analysis, wearable flexible sensors are chosen to go with the non-planar surface of human skin. Lately, with advancements in fabricating wearable flexible sensors, signal processing circuitry has been integrated and embedded into them to analyze real-time data and transmit it wirelessly to a smart device or a computer. For wireless data transmission, Bluetooth has been the popular technology because of its relatively low installation expenditures, lower hardware requirements and good compatibility when compared with other wireless modules like Zigbee and Wi-Fi.

Conclusion

The most commonly used sweat sensors are wearable flexible sweat sensors that can be used for detecting various sweat analytes. The choice of wearable flexible sweat sensor would depend upon the analyte and its corresponding application, for example, detection of an illness or monitoring body conditions. Currently, with progress in sensor manufacturing methods, multiple sensors can be embedded into one flexible system and integrated with signal processing circuitry. Moreover, the integration of wireless data transmission modules with such advanced sweat sensors has also made it possible to analyze sweat analyte levels in real-time and transmit data wirelessly.

Da:

https://electronics360.globalspec.com/article/16313/all-about-sweat-sensors?uid=%2D1474234620&uh=f9d092&md=210223&mh=a81045&Vol=Vol16Issue4&Pub=49&LinkId=2056854&keyword=link%5F2056854&itemid=365011&frmtrk=newsletter&cid=nl