近年來(lái)，全球氣候變暖日益加劇，對(duì)在高溫環(huán)境中工作或從事體力活動(dòng)的人們構(gòu)成了重大的威脅，因?yàn)樗麄兓紵嵯嚓P(guān)疾病的風(fēng)險(xiǎn)很高。為了預(yù)防和診斷這些疾病，傳統(tǒng)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(biāo)志物的變化。然而，這些分析方法存在侵入性/微創(chuàng)性檢測(cè)、成本高、分析時(shí)間長(zhǎng)以及樣品易受污染等缺點(diǎn)，從而限制了其廣泛應(yīng)用。

大量研究表明，人體汗液中含有豐富的生化信息，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行非侵入性監(jiān)測(cè)可以反映機(jī)體的水合狀態(tài)和熱相關(guān)疾病的指標(biāo)。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(nèi)。這些電解質(zhì)水平的異常會(huì)導(dǎo)致多種癥狀，包括低鈉血癥、低鉀血癥、肌肉痙攣、脫水、中暑，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹦菘恕Ｒ虼耍O(shè)計(jì)和制造一種低成本、性能優(yōu)異、可大規(guī)模制造的可穿戴汗液生物傳感器，以幫助熱相關(guān)疾病的預(yù)防和診斷是至關(guān)重要的。

可穿戴汗液離子電化學(xué)生物傳感器因?yàn)榫哂蟹乔秩胄浴⒃贿B續(xù)監(jiān)測(cè)能力、優(yōu)異的靈敏度和高特異性而備受關(guān)注。這種傳感器通常由三部分組成：（1）用于捕獲、傳送和存儲(chǔ)汗液的微流控層；（2）用于檢測(cè)人體汗液中離子濃度變化的全固態(tài)離子選擇性電極（ISE）；（3）電信號(hào)處理和傳輸系統(tǒng)。其中，離子選擇性電極是可穿戴電化學(xué)生物傳感器的核心技術(shù)，決定了檢測(cè)信號(hào)的可靠性。

通常情況下，離子選擇性電極由導(dǎo)電襯底、離子-電子換能層和離子選擇性膜組成。在長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè)過(guò)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(huì)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(wèn)題，科研人員通常會(huì)在電極表面修飾離子-電子換能層材料，以提高電位穩(wěn)定性，增加載流子從離子到電子的有效轉(zhuǎn)換。然而，現(xiàn)有的離子-電子換能層大多采用導(dǎo)電聚合物材料，例如聚吡咯（PPy），這種材料易受外界環(huán)境干擾并且穩(wěn)定性較差。近年來(lái)，基于電容機(jī)制的金屬納米材料表現(xiàn)出比導(dǎo)電聚合物更優(yōu)越的性能，具有大表面積、高雙電容層和抗外部環(huán)境干擾等優(yōu)勢(shì)。其中，金（Au）納米結(jié)構(gòu)材料因其優(yōu)異的生物相容性、高穩(wěn)定性、優(yōu)異的高雙電容層和可控的制造方法而備受關(guān)注。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，受“樂(lè)高積木（Lego Bricks）”啟發(fā)，來(lái)自南京工業(yè)大學(xué)、南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院和廈門(mén)大學(xué)的科研人員采用“絲網(wǎng)+蠟（Screen + Wax）”印刷技術(shù)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(lè)高積木”式、可量產(chǎn)的可穿戴離子電化學(xué)生物傳感器，其具有成本低、性能好的特點(diǎn)。其中，Na?和K?電極以及微流控層就像“樂(lè)高積木”盒中的積木，可以根據(jù)不同的需要組裝成完整的裝置，也可以在完成檢測(cè)后根據(jù)后續(xù)檢測(cè)需要便捷地更換上新的微流控層。相關(guān)研究成果以“Large-scale fully printed “Lego Bricks” type wearable sweat sensor for physical activity monitoring”為題發(fā)表在npj flexible electronics期刊上。

圖1 用于大規(guī)模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)Na?和K?的全印刷“樂(lè)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(jiǎn)單的一步電沉積法在絲網(wǎng)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(yōu)異的疏水性、良好的電學(xué)性能、可靠的穩(wěn)定性和較高的雙層電容。然后，科研人員通過(guò)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(guò)蠟印技術(shù)在紙基襯底表面快速、簡(jiǎn)單地構(gòu)建了三個(gè)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(diào)整后的微流控層3DM-W”），實(shí)現(xiàn)了樣品的捕獲、傳送和存儲(chǔ)，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(shí)檢測(cè)（POCT）生物傳感器，以滿足特定應(yīng)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(guò)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(shí)現(xiàn)了對(duì)采集的受試者汗液中Na?和K?的檢測(cè)。隨后，科研人員將檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行了比較，以驗(yàn)證所制造傳感器的準(zhǔn)確性。

此外，科研人員著重展示了“樂(lè)高積木”式可穿戴汗液傳感器的兩個(gè)具體應(yīng)用案例。在第一個(gè)應(yīng)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(jiān)測(cè)和分析受試者不同身體區(qū)域的Na?和K?水平的動(dòng)態(tài)變化。在第二個(gè)應(yīng)用案例中，科研人員將“調(diào)整后的微流控層3DM-W”和Na?電極集成到可穿戴脫水監(jiān)測(cè)傳感器中，使其能夠連續(xù)評(píng)估受試者體內(nèi)的水合水平以及各種干擾條件對(duì)受試者水合狀態(tài)的影響。

圖2 對(duì)采集自受試者不同身體區(qū)域的汗液中Na?和K?的分析

圖3 長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)時(shí)電解質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及不同干預(yù)措施的影響

綜上所述，這種模塊化設(shè)計(jì)的“樂(lè)高積木”式可穿戴汗液離子電化學(xué)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(zhì)，有望成為運(yùn)動(dòng)和健康領(lǐng)域的強(qiáng)大分析工具，為大規(guī)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