人體汗液中富含大量潛在的與健康和疾病相關(guān)的標(biāo)志物，相比較常規(guī)的血液和尿液檢測，其具有非侵入(Non-invasive)和實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)勢，因此可穿戴汗液的研究成為可穿戴健康電子設(shè)備領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)之一。微型化、集成化的全固態(tài)離子選擇性電極和全固態(tài)參比電極，是檢測汗液中電解質(zhì)離子濃度的核心傳感技術(shù)。然而，現(xiàn)有的大部分固態(tài)離子傳感器多采用導(dǎo)電聚合物作為離子/電子的傳導(dǎo)層材料，存在穩(wěn)定性差、干擾因素多、使用壽命短等缺點(diǎn)，限制了其在可穿戴汗液檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖1.(A)電沉積制備不同比表面積的三維金納米結(jié)構(gòu)固體接觸傳導(dǎo)陣列電極；(B)全固態(tài)離子選擇性陣列電極構(gòu)建的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2.(A)、(B)和(C)為可穿戴“導(dǎo)汗帶”汗液傳感器設(shè)備的照片和示意圖；(D)汗液傳感器芯片在穿戴前和穿戴后對不同濃度標(biāo)準(zhǔn)Na+溶液的校準(zhǔn)曲線；(E)為汗液傳感器在人體上運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測汗液中Na+濃度變化的曲線圖。
中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽研究團(tuán)隊(duì)前期研發(fā)了可用于皮膚水分檢測的柔性可穿戴離子型(Advanced Science, 2017, 1600404,1-7, Back Cover)。進(jìn)而，針對微型化全固態(tài)離子傳感器和全固態(tài)參比電極穩(wěn)定性等關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合MEMS微納加工技術(shù)設(shè)計(jì)制備了具有微孔陣列為模板的電極芯片，采用一步電沉積法制備了大比表面積且可調(diào)控的三維金納米結(jié)構(gòu)離子/電子傳導(dǎo)陣列電極，相比較基于碳納米管、石墨烯、多孔碳等材料的離子/電子傳導(dǎo)層，其具有制備簡單，重復(fù)性好等優(yōu)勢。
通過該電極芯片構(gòu)建的全固態(tài)離子選擇性電極具有穩(wěn)定的電位響應(yīng)靈敏度(56.58 ± 1.02mV/decade)、快速的響應(yīng)時(shí)間(<10s)和寬線性范圍(10-6～10-1mol/L)，傳感器的電位漂移和水層干擾影響減小。通過優(yōu)化參比電極聚合物膜和鹽的組分，在傳感器芯片上集成了基于聚合物/氯化鉀的全固態(tài)參比電極，獲得的微型化參比電極芯片具有平衡時(shí)間短，對不同種類和不同離子強(qiáng)度電解質(zhì)干擾響應(yīng)小，對光不敏感，在pH3～10范圍內(nèi)響應(yīng)穩(wěn)定，具有長期穩(wěn)定性等優(yōu)勢。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了具有汗液采集、轉(zhuǎn)運(yùn)和排出結(jié)構(gòu)的可穿戴“導(dǎo)汗帶”汗液傳感設(shè)備，將傳感器芯片與汗液導(dǎo)汗帶集成封裝，可舒適便捷地佩戴與人體額頭區(qū)域，可對人體運(yùn)動(dòng)過程中電解質(zhì)離子進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)地分析監(jiān)測，對人們健身運(yùn)動(dòng)過程中脫水情況的監(jiān)測，尤其是對運(yùn)動(dòng)員、搶險(xiǎn)急救人員、軍人在執(zhí)行高強(qiáng)度任務(wù)過程中的生理健康狀況具有預(yù)警和指導(dǎo)意義。相關(guān)研究成果發(fā)表在Analytical Chemistry上。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金、江蘇省杰出青年基金和中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目等的資助。
編輯點(diǎn)評
目前，可穿戴汗液傳感器的研究成為可穿戴健康電子設(shè)備領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)之一，然而，現(xiàn)有的大部分固態(tài)離子傳感器存在穩(wěn)定性差、干擾因素多、使用壽命短等缺點(diǎn)。蘇州納米所可穿戴汗液傳感器研究獲進(jìn)展，可對人體運(yùn)動(dòng)過程中電解質(zhì)離子進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)地分析監(jiān)測，對人們健身運(yùn)動(dòng)過程中脫水情況的監(jiān)測，具有廣闊的應(yīng)用前景。
