Eprobe：面向可穿戴健康监测的多技术多通道微型电化学工作站(电位stat)的开发与应用

本研究针对传统电位stat体积庞大、成本高昂及现有可穿戴设备性能受限等问题，开发了开源多通道可穿戴电位stat Eprobe。该设备支持12种电化学技术，具备±16 V动态电压范围与100 nA电流检测精度，在6个独立通道同步操作中表现出与商用台式设备CHI760E相当的性能（R2>0.95）。其6×7×2 cm3的紧凑尺寸与<55美元的低成本优势，为可穿戴多靶点监测系统提供了创新解决方案。

　　

在健康监测和疾病早期诊断领域，电化学技术正发挥着越来越重要的作用。然而，目前广泛使用的电化学工作站（电位stat）如CHI760E，存在体积庞大（34×25×11 cm3）、重量较重（4.5 kg）以及价格昂贵等问题，无法满足可穿戴、连续监测和多靶点检测的应用需求。即便是市售的便携式电位stat，如PalmSens系列，虽然性能较高，但多通道版本价格昂贵（2通道版本>1万元，4通道以上版本>10万元），且体积和重量仍然不适合真正的可穿戴应用。

过去几十年间，研究人员致力于开发微型化电位stat，但大多数系统仍依赖于现有的模拟前端（AFE）集成电路，这些芯片在输出电压范围、电流检测范围和精度方面存在限制。虽然一些集成AFE芯片（如AD5941）实现了较小的尺寸，但通常不支持先进的伏安技术，且在电流精度和动态电压范围方面性能较差。此外，目前报道的大多数可穿戴电位stat都是单通道设备，功能有限，无法满足多靶点集成监测场景的需求。

为了解决这些问题，北京理工大学的研究团队开发了Eprobe——一个完全开源的可穿戴电位stat，支持多达6个独立通道的同时操作，能够实现多靶点的同步监测。该研究成果发表在《Biosensors and Bioelectronics: X》期刊上。

研究人员采用了几项关键技术方法：基于ARM架构的嵌入式系统设计，使用STM32L4控制器和CH582蓝牙通信模块；自主研发的模拟前端（AFE）模块，突破了商用集成芯片的性能限制；多通道独立控制技术，通过状态机设计实现6个通道的无干扰并行操作；分层校准框架，包括ADC校准和DAC校准，确保系统测量精度；双模式通信设计，支持蓝牙低功耗（BLE）无线传输和USB有线连接。

研究结果显示，Eprobe在多个方面表现出色：

在系统设计方面，Eprobe的硬件系统包含7个关键功能模块，形成了完整的信号处理链。核心组件包括主处理器（MCU）、数模转换器（DAC）、模数转换器（ADC）和自定义设计的AFE模块。AFE模块支持±16 V的动态电压范围，确保在各种阻抗条件下都能提供准确的电压输出。偏置电压输出范围达到±10 V，精度高达40 μV，使其适用于多样化的操作环境。

在性能评估方面，研究人员将Eprobe与商用CHI760E电位stat进行了对比实验。使用包含0.05 mM铁氰化钾、0.05 mM亚铁氰化钾和100 mM PBS缓冲液（pH=7）的混合电解质溶液，在室温下对Eprobe支持的12种电化学技术进行了评估。通过三次重复测量（n=3），计算了各技术的电流-电压/时间曲线的Pearson相关系数（R²）和均方根误差（RMSE）。结果显示，大多数技术的R²值超过0.95，表明Eprobe与CHI760E之间存在近乎完美的线性一致性。电流测量的RMSE在大多数技术中小于0.8 mA，证明Eprobe的性能与CHI760E高度一致，满足了电化学检测准确性和重现性的严格标准。

在多通道操作方面，Eprobe展示了其独特优势。通过使用相同的标准测试溶液，随机对每个通道应用三种电化学技术（CV、i-t和LSV），每种技术使用两个独立通道。实验证明所有六个通道都能独立运行，随时能够暂停、重启或恢复每个通道的检测。这表明Eprobe在多通道、多技术同时操作过程中保持了稳定的性能。

在实际应用测试中，研究人员进行了系列实验验证Eprobe在各种电化学场景中的实用性。使用碳布和高熵合金电极作为电极材料，进行了最常用的电化学技术测试，包括差分脉冲伏安法（DPV）、计时安培法（CA）、循环伏安法（CV）和电流-时间（i-t）方法。

在CV技术验证中，选择铁氰化钾这一经典可逆氧化还原系统进行测试。通过研究浓度和扫描速率对CV响应的影响，评估其氧化还原行为与理论模型的一致性。根据Randles-Sevcik方程，CV响应中的峰值电流与铁氰化钾浓度和扫描速率的平方根成正比。实验结果显示，峰值电流与铁氰化钾浓度以及扫描速率的平方根都呈现出强烈的线性相关性。

在DPV测量中，选择酪氨酸作为目标分子进行氧化反应分析。使用由碳布（工作电极）、铂（对电极）和Ag/AgCl电极（参比电极）组成的三电极系统进行测试。不同浓度的酪氨酸溶液作为电解质，在0.4 V至0.8 V的电位范围内以0.01 V/s的扫描速率进行DPV测量。结果显示峰值电流随着浓度增加而成比例增加，峰值电流与浓度之间的拟合曲线显示出强烈的线性关系，符合Randles-Sevcik方程的理论预测。

在CA测量中，选择抗坏血酸作为目标分子。使用由铂电极作为工作电极、石墨电极作为对电极和Ag/AgCl电极作为参比电极组成的三电极系统，制备不同浓度的抗坏血酸溶液作为电解质。在0.4 V的固定电位下进行CA测量，记录0到40秒的电流响应。结果显示，随着浓度增加，稳定后的电流响应成比例上升。30秒时的电流与抗坏血酸浓度呈现强烈的线性相关性，证明CA技术能够准确表征抗坏血酸浓度的变化。

在i-t测量应用中，使用高熵合金电极对葡萄糖的催化氧化进行了i-t测试。使用由高熵合金电极（工作电极）、铂（对电极）和Ag/AgCl电极（参比电极）组成的三电极系统，制备不同浓度的葡萄糖溶液。实验结果显示响应电流与葡萄糖浓度之间存在强烈的线性关系。当用碳布替换高熵合金时，反应几乎不存在，突显了高熵合金的催化效果，证明了其作为葡萄糖检测传感器电极的优异性能。

在特性与可靠性评估方面，Eprobe设备包含6.2×4.8 cm的PCB、450 mAh电池、7×5×2 cm的3D打印树脂外壳以及若干连接线和接口。除了电池，Eprobe还支持USB供电，既能为设备供电，也能为电池充电。设备在三电极系统接口处集成了静电保护电路，确保与生物系统的兼容性并在多样环境条件下保持信号完整性。Eprobe还包含0到50°C的实时温度监测，使用户能够跟踪实验条件并确保电化学实验的最佳执行。

在综合72小时测试中（USB供电），Eprobe表现出卓越的操作稳定性。在精确控制的条件下（25±0.5°C环境温度，100 Ω ±1%精密电阻上施加0.185 V电位），系统持续提供1.8395 mA的平均电流，标准偏差为26.467 μA，相对标准偏差为1.4388%。高时间分辨率测量（0.5秒间隔）显示了优异的信号完整性，在整个评估期间峰值到峰值的电流变化限制在201.66 μA以内。

该研究的结论表明，Eprobe在关键参数方面与台式电位stat CHI760E性能相当，同时相对于现有可穿戴电位stat具有明显优势，包括扩展的电压支持范围、增强的电流检测灵敏度以及多通道、多技术兼容性。Eprobe展示了同时操作六个独立通道的能力，每个通道支持不同的检测技术而没有通道间干扰，从而提供了 exceptional 的灵活性。通过采用DPV、CV、CA和其他技术的实验证实了Eprobe的高准确性和稳定性。此外，其紧凑的尺寸、低成本、高效的电源管理和集成的温度监测显著增强了其实用性。

讨论部分强调，通过可穿戴设备同时连续监测多个生物标志物正成为慢性疾病早期检测和管理的重要组成部分。例如，心血管疾病与血脂、血压和高灵敏度C反应蛋白等生物标志物相关，而糖尿病与血糖、胰岛素浓度和糖化血红蛋白相关。脂肪肝与肝酶和血脂相关，其他代谢物如尿素、磷酸化蛋白质和细胞因子正在成为健康状况的关键指标。精准医学的未来在于能够进行多靶点监测的可穿戴设备，结合人工智能算法进行综合分析和决策。未来几年，通过采用自持续能源和多模态集成，可穿戴健康监测设备有望实现连续和实时健康评估。

通过开源Eprobe，研究人员旨在加速电化学传感技术的发展，使研究者能够专注于推进传感方法学并扩展其在公共健康管理中的应用。这一举措有望促进精准医学的早期采用，实现及时疾病检测和慢性病有效管理，最终改善患者预后。