基于垂直流体控制的可穿戴传感平台，用于同步检测汗液和电解质浓度

MEMS 2022-08-08 00:00

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为了评估在高温下工作或进行体育活动的人的生理健康和水合状态，人们越来越多地要求实时和连续测量汗率和电解质浓度。由于人类在体温调节出汗过程中会损失大量的水和电解质，如果不能及时适当补充，其健康状况和运动表现会严重恶化；此外，由于水电解质代谢平衡的异常，各种生理功能都会发生变化。同时，随着全球变暖的加剧，热浪（温度上升）使弱势人群处于热相关疾病的高风险中，尤其是病人、儿童、老人、户外劳动者（建筑工人、交通警察）、消防员、士兵、运动员和参加体育运动的人。由于体力消耗和较高的环境温度都会导致机体过热（热应激），汗液的分泌成为最有效的生理冷却机制。在现场诊断方面，汗率和电解质浓度的组合可以作为水合状态和热病状况的有效指标。因此，迫切需要开发能够同步监测汗液速率和电解质浓度的可穿戴式汗液传感器，这对个性化保健和医疗诊断至关重要。

最近，人们开发了不同原理和类型的可穿戴汗液速率传感器，以取代传统的不方便的测重技术（吸水垫技术、全身冲洗法），进行实时和连续的汗液分析。其中，基于柔性微流控的可穿戴汗液传感器为原位汗液收集和分析提供了一个很好的机会，因为带有微通道的低模量微流控基底可以与表皮紧密接触，进行汗液捕捉、流动和储存。

通过将微通道与比色法和阻抗法传感器整合，研究人员已成功开发了表皮微流控传感平台，用于汗液体积相关的测量（包括出汗率和失水）。基于阻抗的传感器通常由长微通道（几十到几百毫米）内的两个平行电极组成，显示出连续电信号和与其他汗液传感器的良好兼容性的优势，可用于可穿戴分析。由于汗液是通过静水压力从皮肤分泌出来的，并且可以产生0.1-20nL/min/腺体的流速，基于微流控的汗液传感器主要是依靠汗液被推入微通道并流过一定长度的工作原理进行阻抗测量。然而，在这种类型的系统中，应仔细解决几个挑战：（1）汗液浸泡的电极之间的阻抗值受汗液量和电解质浓度的影响，为此，必须提出更多的校准方法和传感器，包括参考阻抗电极、电化学离子选择性传感器，或具有相互咬合的手指的电极，以区分汗水速率和离子浓度信号；（2）通过软光刻技术制造长微通道的程序和校准传感器的整合导致了系统的复杂性；（3）由于汗液成分的浓度受汗液速率的影响，长通道中新旧汗液样本的稀释和混合将干扰测量结果；（4）汗液速率检测的准确性和通道的体积容量受制于微通道本身的特性，包括通道的大小、长度、几何形状和表面润湿性。

基于此，中国科学院苏州纳米所张珽研究员团队提出了一个新颖的流体控制的可穿戴传感平台，用于同步滴水检测汗水率和总电解质浓度。在该项研究中，研究人员根据Hagen-Poiseuille的流体力学方程，设计了一个短的垂直通道（约0.5 mm）、一对嵌入式电导电极，以及一个吸收层，从而形成一个非常规的基于微流控的阻抗式汗液传感平台，以最大限度地减少流动阻力，并将汗液流体转化为均匀的微液滴，用于按时间顺序和逐滴检测。实时汗液电导率与类似方波的曲线解耦，其中汗液速率和电解质浓度可分别从间隔时间和峰值中得出。此外，研究人员提供了一种新的架构支持的传感原理，简单且与可穿戴设备兼容，不需要额外的校准方法就能在体外测试中进行准确的汗液检测，具有在运动期间进行水合状态评估的潜在应用。相关研究以“An unconventional vertical fluidic-controlled wearable platform for synchronously detecting sweat rate and electrolyte concentration”为题发表在Biosensors and Bioelectronics期刊上。

图1 流体控制的可穿戴汗液传感器平台

图2 不同吸收层吸收材料对电导曲线的影响

图3 传感器在各种汗液流速范围内的性能

图4 各种浓度范围的NaCl溶液中的传感器性能

综上所述，研究人员开发了一种新颖的可穿戴式汗液传感器平台，用于免校准和同步测量汗液速率和总电解质浓度。具体地，该平台基于一种流体控制的微流控设计，以实现对汗液的滴定检测，避免新旧汗液样本稀释和混合的影响，这也很好地符合了固定两个变量（浓度和体积）之一的解耦原理，使其成为一个单变量分析系统。多次实际测试显示，区域汗率、汗液流失和总电解质浓度可以同步实现。

由于结构的简单性、去耦原理的高效率和信号的免校准特性，这种流体控制的可穿戴汗液传感器平台显示出巨大的潜力，可以实际应用于评估在高温下工作或进行体育活动的人的生理健康和水化状态。目前，该传感器平台的设计更适合在运动等高出汗情况下使用。在低流速情况下，需要更长的时间来填充垂直通道，减少了检测的“真实时间”，并可能导致一些偏差。此外，与体外测试相比，在运动测试中的影响因素更加复杂。腺体产生的汗液在流速上并不稳定，相反，它是脉动的。未来，需要优化传感平台的设计和制作工艺，研究运动测试过程中请多因素的影响，进一步提高其稳定性。