全印刷“乐高积木”式可穿戴汗液传感器，实时监测电解质水平

原创 MEMS 2023-12-31 00:01

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近年来，全球气候变暖日益加剧，对在高温环境中工作或从事体力活动的人们构成了重大的威胁，因为他们患热相关疾病的风险很高。为了预防和诊断这些疾病，传统的方法通常依赖于分析多种生理体液（例如血液和唾液）中生物标志物的变化。然而，这些分析方法存在侵入性/微创性检测、成本高、分析时间长以及样品易受污染等缺点，从而限制了其广泛应用。

大量研究表明，人体汗液中含有丰富的生化信息，通过对其进行非侵入性监测可以反映机体的水合状态和热相关疾病的指标。例如，人体汗液中的钠离子（Na⁺）和钾离子（K⁺）的浓度通常分别在20 mM ~ 160 mM和2 mM ~ 16 mM范围内。这些电解质水平的异常会导致多种症状，包括低钠血症、低钾血症、肌肉痉挛、脱水、中暑，严重时甚至会引起休克。因此，设计和制造一种低成本、性能优异、可大规模制造的可穿戴汗液生物传感器，以帮助热相关疾病的预防和诊断是至关重要的。

可穿戴汗液离子电化学生物传感器因为具有非侵入性、原位连续监测能力、优异的灵敏度和高特异性而备受关注。这种传感器通常由三部分组成：（1）用于捕获、传送和存储汗液的微流控层；（2）用于检测人体汗液中离子浓度变化的全固态离子选择性电极（ISE）；（3）电信号处理和传输系统。其中，离子选择性电极是可穿戴电化学生物传感器的核心技术，决定了检测信号的可靠性。

通常情况下，离子选择性电极由导电衬底、离子-电子换能层和离子选择性膜组成。在长时间的检测过程中，在离子选择性膜和电极表面之间形成的界面水可能会破坏离子选择性膜的组成并引起电位偏移。为了解决这一问题，科研人员通常会在电极表面修饰离子-电子换能层材料，以提高电位稳定性，增加载流子从离子到电子的有效转换。然而，现有的离子-电子换能层大多采用导电聚合物材料，例如聚吡咯（PPy），这种材料易受外界环境干扰并且稳定性较差。近年来，基于电容机制的金属纳米材料表现出比导电聚合物更优越的性能，具有大表面积、高双电容层和抗外部环境干扰等优势。其中，金（Au）纳米结构材料因其优异的生物相容性、高稳定性、优异的高双电容层和可控的制造方法而备受关注。

据麦姆斯咨询报道，受“乐高积木（Lego Bricks）”启发，来自南京工业大学、南京医科大学第一附属医院和厦门大学的科研人员采用“丝网+蜡（Screen + Wax）”印刷技术以及一步电沉积方法，制造了一种由三维纸基微流控层和柔性电极组成的“乐高积木”式、可量产的可穿戴离子电化学生物传感器，其具有成本低、性能好的特点。其中，Na⁺和K⁺电极以及微流控层就像“乐高积木”盒中的积木，可以根据不同的需要组装成完整的装置，也可以在完成检测后根据后续检测需要便捷地更换上新的微流控层。相关研究成果以“Large-scale fully printed “Lego Bricks” type wearable sweat sensor for physical activity monitoring”为题发表在npj flexible electronics期刊上。

图1 用于大规模实时监测Na⁺和K⁺的全印刷“乐高积木”式可穿戴汗液传感器示意图

具体而言，科研人员首先采用简单的一步电沉积法在丝网印刷的碳电极表面修饰了可控疏水性金纳米颗粒（AuNPs）作为离子-电子换能层，使其具有优异的疏水性、良好的电学性能、可靠的稳定性和较高的双层电容。然后，科研人员通过滴加法在金纳米颗粒层上修饰Na⁺和K⁺选择性膜，从而完成了功能化柔性电极的制造。接着，科研人员通过蜡印技术在纸基衬底表面快速、简单地构建了三个可以折叠的三维微流控层（分别称为“微流控层3DM-P”、“微流控层3DM-W”和“调整后的微流控层3DM-W”），实现了样品的捕获、传送和存储，从而完成了微流控层的制造。最后，将Na⁺和K⁺电极与三种不同的微流控层垂直堆叠，就可以制造出各种完整的可穿戴或即时检测（POCT）生物传感器，以满足特定应用的需要。

在该研究中，科研人员首先选择了“微流控层3DM-P”，然后通过双面粘合工艺将其与Na⁺和K⁺电极阵列组装成POCT生物传感器，实现了对采集的受试者汗液中Na⁺和K⁺的检测。随后，科研人员将检测结果与标准方法进行了比较，以验证所制造传感器的准确性。

此外，科研人员着重展示了“乐高积木”式可穿戴汗液传感器的两个具体应用案例。在第一个应用案例中，科研人员将“微流控层3DM-W”与Na⁺和K⁺电极集成在一起制造了一种可穿戴汗液传感器，其能够监测和分析受试者不同身体区域的Na⁺和K⁺水平的动态变化。在第二个应用案例中，科研人员将“调整后的微流控层3DM-W”和Na⁺电极集成到可穿戴脱水监测传感器中，使其能够连续评估受试者体内的水合水平以及各种干扰条件对受试者水合状态的影响。

图2 对采集自受试者不同身体区域的汗液中Na⁺和K⁺的分析