如何利用織物嵌入式微流控傳感器監(jiān)測汗液電解質濃度和出汗速度

《背景介紹》

表皮微流控設備作為有效的汗液收集和檢測裝置獲得持續(xù)關注。通過結合阻抗/電導等電信號檢測方法可實現(xiàn)對汗液電解質濃度和出汗速度等實時監(jiān)測。然而，目前存在兩個關鍵挑戰(zhàn)有待進一步解決：(1) 雙模信號耦合的影響。電信號同時受到汗液電解質濃度和汗液量信息的影響，難以同步實時解析上述信息，需要通過額外的校準模塊或不同的檢測方法分別進行檢測。(2) 長期穿戴舒適性。傳感器的密閉基底材料長時間貼附皮膚，堵塞汗孔，影響正常的排汗，造成汗液積聚，導致局部發(fā)生炎癥或過敏，甚至會導致局部代償性出汗，從而影響汗液信息檢測結果的準確性。因此，迫切需要解決上述問題，確保長期舒適穿戴下汗液雙模信號的準確解耦，實現(xiàn)汗液電解質濃度和出汗速度的實時同步監(jiān)測。

近期，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張珽研究員團隊報道了一種織物嵌入式可穿戴微流體汗液傳感器，可同步實時監(jiān)測出汗速度和汗液總電解質濃度。相關成果以“Perspiration permeable, textile embeddable microfluidic sweat sensor”為題發(fā)表在國際權威雜志Biosensors and Bioelectronics上(DOI: 10.1016/j.bios.2023.115504)。文章第一作者是中國科學院蘇州納米所博士生劉夢愿，通訊作者為張珽研究員和王書琪副研究員。該工作得到了國家自然科學基金的支持。

研究的主要內(nèi)容

作者通過將微流體汗液傳感器與等間距叉指電極相結合，實現(xiàn)汗液電解質濃度(10-200 mmol L ^-1^ ）和出汗量/出汗速度(0.2-4.0 μL min ^-1^ ）雙模信號解耦；通過將微流體汗液傳感器設計成鏤空式蛇形結構并與janus織物相結合，賦予其良好的透氣性(503.15 g m^-2^ d ^-1^ ）和單向排汗性能，具有更好的穿戴舒適性。相比傳統(tǒng)的基于PDMS或PET等密閉柔性襯底構建的汗液傳感器，織物嵌入式汗液傳感器具有更好的透氣、排汗和散熱性能。該傳感器可水洗和重復使用，而且可實驗批量化制備，展現(xiàn)出集成于衣物和智能織物的潛能，有利于實現(xiàn)可穿戴汗液傳感器在個性化醫(yī)療和特定場景下水合狀態(tài)監(jiān)測的應用前景。

圖1 織物嵌入式微流體汗液傳感器示意圖。

圖2 汗液總電解質濃度和出汗量/出汗速度雙模信號解耦原理。

圖3 織物嵌入式微流體汗液傳感器對流速信息的測試和分析。

圖4 織物嵌入式微流體汗液傳感器對汗液總電解質濃度信息的測試和分析。

圖5 織物嵌入式微流體汗液傳感器單向透氣排汗性能的測試和分析。

圖6 織物嵌入式微流體汗液傳感器用于體上測試，可在不同運動強度下實時同步監(jiān)測出汗速度，出汗量和總電解質濃度的變化。

小結

作者已經(jīng)構建了一種單向透氣排汗織物嵌入式鏤空結構微流體汗液傳感器，解決了雙模信號解耦和長期穿戴舒適性的問題。同步實現(xiàn)汗液電解質濃度和出汗速度的實時監(jiān)測，并賦予其良好的透氣性和定向排汗性能。同時，織物嵌入式微流體汗液傳感器可水洗和重復使用，可與衣物和智能織物兼容集成，可以更好地適應未來長期人體健康監(jiān)測設備舒適性的需求。

該工作是團隊近期關于柔性可穿戴汗液傳感器相關研究的最新進展之一。近年來，團隊始終聚焦于人體汗液電解質濃度和出汗速度檢測傳感器的設計制備及其在人體水合狀態(tài)監(jiān)測方面的應用。通過電化學離子傳感技術研發(fā)微型化、可延展的高穩(wěn)定性汗液傳感器 (Anal. Chem. 2017, 89, 10224；Biosens. Bioelectron. 2019, 142, 111519；Sens. Actuators B-Chem. 2022, 369, 132290)，并探索基于新型傳感原理的汗液出汗速度/出汗量檢測傳感系統(tǒng) (Biosens. Bioelectron. 2022, 210, 114351)，來提高人體水合狀態(tài)評估的準確性，以推動可穿戴汗液傳感設備在個人健康管理和醫(yī)療監(jiān)測領域的應用。






審核編輯：劉清