實時監測電解質水平的全印刷“樂高積木”式可穿戴汗液傳感器

近年來，全球氣候變暖日益加劇，對在高溫環境中工作或從事體力活動的人們構成了重大的威脅，因為他們患熱相關疾病的風險很高。為了預防和診斷這些疾病，傳統的方法通常依賴于分析多種生理體液（例如血液和唾液）中生物標志物的變化。然而，這些分析方法存在侵入性/微創性檢測、成本高、分析時間長以及樣品易受污染等缺點，從而限制了其廣泛應用。

大量研究表明，人體汗液中含有豐富的生化信息，通過對其進行非侵入性監測可以反映機體的水合狀態和熱相關疾病的指標。例如，人體汗液中的鈉離子（Na?）和鉀離子（K?）的濃度通常分別在20 mM ~ 160 mM和2 mM ~ 16 mM范圍內。這些電解質水平的異常會導致多種癥狀，包括低鈉血癥、低鉀血癥、肌肉痙攣、脫水、中暑，嚴重時甚至會引起休克。因此，設計和制造一種低成本、性能優異、可大規模制造的可穿戴汗液生物傳感器，以幫助熱相關疾病的預防和診斷是至關重要的。

可穿戴汗液離子電化學生物傳感器因為具有非侵入性、原位連續監測能力、優異的靈敏度和高特異性而備受關注。這種傳感器通常由三部分組成：（1）用于捕獲、傳送和存儲汗液的微流控層；（2）用于檢測人體汗液中離子濃度變化的全固態離子選擇性電極（ISE）；（3）電信號處理和傳輸系統。其中，離子選擇性電極是可穿戴電化學生物傳感器的核心技術，決定了檢測信號的可靠性。

通常情況下，離子選擇性電極由導電襯底、離子-電子換能層和離子選擇性膜組成。在長時間的檢測過程中，在離子選擇性膜和電極表面之間形成的界面水可能會破壞離子選擇性膜的組成并引起電位偏移。為了解決這一問題，科研人員通常會在電極表面修飾離子-電子換能層材料，以提高電位穩定性，增加載流子從離子到電子的有效轉換。然而，現有的離子-電子換能層大多采用導電聚合物材料，例如聚吡咯（PPy），這種材料易受外界環境干擾并且穩定性較差。近年來，基于電容機制的金屬納米材料表現出比導電聚合物更優越的性能，具有大表面積、高雙電容層和抗外部環境干擾等優勢。其中，金（Au）納米結構材料因其優異的生物相容性、高穩定性、優異的高雙電容層和可控的制造方法而備受關注。

據麥姆斯咨詢報道，受“樂高積木（Lego Bricks）”啟發，來自南京工業大學、南京醫科大學第一附屬醫院和廈門大學的科研人員采用“絲網+蠟（Screen + Wax）”印刷技術以及一步電沉積方法，制造了一種由三維紙基微流控層和柔性電極組成的“樂高積木”式、可量產的可穿戴離子電化學生物傳感器，其具有成本低、性能好的特點。其中，Na?和K?電極以及微流控層就像“樂高積木”盒中的積木，可以根據不同的需要組裝成完整的裝置，也可以在完成檢測后根據后續檢測需要便捷地更換上新的微流控層。相關研究成果以“Large-scale fully printed “Lego Bricks” type wearable sweat sensor for physical activity monitoring”為題發表在npj flexible electronics期刊上。

圖1 用于大規模實時監測Na?和K?的全印刷“樂高積木”式可穿戴汗液傳感器示意圖

具體而言，科研人員首先采用簡單的一步電沉積法在絲網印刷的碳電極表面修飾了可控疏水性金納米顆粒（AuNPs）作為離子-電子換能層，使其具有優異的疏水性、良好的電學性能、可靠的穩定性和較高的雙層電容。然后，科研人員通過滴加法在金納米顆粒層上修飾Na?和K?選擇性膜，從而完成了功能化柔性電極的制造。接著，科研人員通過蠟印技術在紙基襯底表面快速、簡單地構建了三個可以折疊的三維微流控層（分別稱為“微流控層3DM-P”、“微流控層3DM-W”和“調整后的微流控層3DM-W”），實現了樣品的捕獲、傳送和存儲，從而完成了微流控層的制造。最后，將Na?和K?電極與三種不同的微流控層垂直堆疊，就可以制造出各種完整的可穿戴或即時檢測（POCT）生物傳感器，以滿足特定應用的需要。

在該研究中，科研人員首先選擇了“微流控層3DM-P”，然后通過雙面粘合工藝將其與Na?和K?電極陣列組裝成POCT生物傳感器，實現了對采集的受試者汗液中Na?和K?的檢測。隨后，科研人員將檢測結果與標準方法進行了比較，以驗證所制造傳感器的準確性。

此外，科研人員著重展示了“樂高積木”式可穿戴汗液傳感器的兩個具體應用案例。在第一個應用案例中，科研人員將“微流控層3DM-W”與Na?和K?電極集成在一起制造了一種可穿戴汗液傳感器，其能夠監測和分析受試者不同身體區域的Na?和K?水平的動態變化。在第二個應用案例中，科研人員將“調整后的微流控層3DM-W”和Na?電極集成到可穿戴脫水監測傳感器中，使其能夠連續評估受試者體內的水合水平以及各種干擾條件對受試者水合狀態的影響。

圖2 對采集自受試者不同身體區域的汗液中Na?和K?的分析

圖3 長時間運動時電解質的實時監測及不同干預措施的影響

綜上所述，這種模塊化設計的“樂高積木”式可穿戴汗液離子電化學傳感器具有快速和高通量的制造能力，可以用于分析汗液中的多種電解質，有望成為運動和健康領域的強大分析工具，為大規模分析人體汗液中的代謝物提供了一種新策略。

審核編輯：劉清