基于電介質(zhì)電潤(rùn)濕設(shè)備和摩擦納米發(fā)電機(jī)的可穿戴人體汗液監(jiān)測(cè)平臺(tái)

如今，可穿戴醫(yī)療保健系統(tǒng)在疾病預(yù)測(cè)和診斷中發(fā)揮著重要作用。其中，汗液分析已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注，因?yàn)楹挂褐泻胸S富的身體分泌物，能夠反饋必要的健康信息，并且與其他體液相比更容易收集。目前常見(jiàn)的汗液收集方法包括使用吸水材料、超疏水/超親水表面、導(dǎo)汗器、表皮微流體等。然而，這些方法在汗液收集過(guò)程中會(huì)不可避免地引入環(huán)境污染。因此，直接在表皮以液滴方式收集和驅(qū)動(dòng)汗液是減少與環(huán)境不必要接觸的有效途徑。

基于此，蘇州大學(xué)陳立國(guó)教授、黃海波副教授、文震副研究員等人報(bào)道了一種基于電介質(zhì)電潤(rùn)濕（EWOD）設(shè)備和摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的可穿戴人體汗液監(jiān)測(cè)平臺(tái)（WSMP）。該平臺(tái)可通過(guò)介電潤(rùn)濕效應(yīng)在不同的腔室中收集和傳輸汗液滴，并使其與pH指示劑合并及反應(yīng)。TENG產(chǎn)生的高壓電場(chǎng)可以使電解質(zhì)液滴的接觸角在摩擦電壓為5kV時(shí)變化超過(guò)30%，通過(guò)改變固液界面的潤(rùn)濕性，實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)的控制。最后，研究人員將可穿戴WSMP進(jìn)行應(yīng)用演示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體汗液pH值的初步檢測(cè)。該研究以題為“A Wearable Electrowetting on Dielectrics Sensor for Real-Time Human Sweat Monitor by Triboelectric Field Regulation”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

具體而言，WSMP由作為汗液主要檢測(cè)元件的EWOD裝置和作為電壓源的TENG組成。制成鞋墊的TENG可以通過(guò)收集人體運(yùn)動(dòng)能量為EWOD中的汗滴驅(qū)動(dòng)提供高壓電場(chǎng)。當(dāng)人們行走或運(yùn)動(dòng)時(shí)，TENG的兩個(gè)電極會(huì)感應(yīng)并轉(zhuǎn)移相反極性的交變電荷。TENG中，鋁箔和氟化乙烯丙烯薄膜為頂板和底板的摩擦層，多孔聚氨酯作為基材。夾層結(jié)構(gòu)的EWOD設(shè)備頂部和底部為涂有疏水材料的ITO電極，中間為電潤(rùn)濕介電層。該EWOD設(shè)備柔性且透明，便于佩戴和觀察，可貼在小腿或腳踝的表皮上，其上電極分別與TENG上下摩擦層的鋁箔相連接。當(dāng)汗液流向EWOD裝置的邊緣時(shí)，TENG產(chǎn)生的高電壓施加到電極上，電極上汗液滴的接觸角減小，導(dǎo)致向內(nèi)的總表面張力。因此，汗滴能夠順利流入EWOD裝置的腔室，并且pH指示劑沿相反方向移動(dòng)并與汗滴反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)汗滴的pH檢測(cè)。

圖1 WSMP的結(jié)構(gòu)和工作原理

而液滴在介電潤(rùn)濕效應(yīng)作用下運(yùn)動(dòng)的原理是接觸角隨外加電壓的變化而變化。當(dāng)EWOD裝置中兩塊板之間形成摩擦電場(chǎng)時(shí)，液滴的接觸角減小。在交流循環(huán)期間，液滴接觸角的變化可以通過(guò)不斷變化方向的電場(chǎng)導(dǎo)致液滴中不同極性的離子周期性吸附來(lái)解釋。為了研究TENG的輸出對(duì)介質(zhì)潤(rùn)濕的影響，研究人員展示了接觸角的變化過(guò)程。當(dāng)TENG周期性接觸和分離產(chǎn)生電勢(shì)時(shí)，液滴會(huì)反復(fù)振動(dòng)，而Teflon疏水層上的接觸角滯后約為7°，因此摩擦電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力足以移動(dòng)具有不同溶解物質(zhì)的液滴。此外，研究人員在EWOD裝置中實(shí)現(xiàn)了液滴的移動(dòng)和合并。液滴分布在中間電極的兩側(cè)，當(dāng)中間電極通電時(shí)，兩側(cè)的液滴同時(shí)相對(duì)移動(dòng)，然后合并進(jìn)行微反應(yīng)。

圖2 摩擦電場(chǎng)產(chǎn)生EWOD效應(yīng)的原理

圖3 液滴在由摩擦電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的EWOD設(shè)備中移動(dòng)

最后，研究人員展示了一種穿戴在小腿上的WSMP裝置，可通過(guò)汗液和pH指示劑的顏色反應(yīng)來(lái)測(cè)試pH值。集成在運(yùn)動(dòng)鞋鞋墊中的TENG連接到EWOD設(shè)備，為驅(qū)動(dòng)汗滴提供摩擦電場(chǎng)，人體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能是TENG發(fā)電的主要來(lái)源。反應(yīng)部分為平行板結(jié)構(gòu)，可有效避免污染。當(dāng)汗滴位于單極板和雙極板的過(guò)渡區(qū)時(shí)會(huì)卡住，然后電極被TENG通電，使得液滴在腔室中流動(dòng)，隨后液滴進(jìn)入腔室并與pH指示劑反應(yīng)。研究人員通過(guò)具有RGB特征的普通最小二乘法用于準(zhǔn)確反映從佩戴者檢測(cè)到的pH值。根據(jù)擬合方程，提取和分析反應(yīng)后的汗液顏色，然后將數(shù)據(jù)傳輸至移動(dòng)APP中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)汗液監(jiān)測(cè)。研究人員使用WSMP對(duì)三名健康志愿者進(jìn)行了穿戴實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，三名志愿者的汗液pH值分別為6.57、6.80和7.01。

圖4 穿戴在小腿上的WSMP演示，用于實(shí)時(shí)汗水監(jiān)測(cè)

綜上所述，研究人員設(shè)計(jì)了一種基于接觸分離式TENG和柔性EWOD設(shè)備的可穿戴人體汗液監(jiān)測(cè)平臺(tái)，以探索主動(dòng)高效地檢測(cè)汗液從而反映人體健康狀況。汗滴可以通過(guò)接觸分離TENG提供的靜電場(chǎng)來(lái)控制。該WSMP能與手機(jī)集成，具有自供電、低污染、主動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)穿戴該WAMP，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了人體汗液的pH值監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)工作在實(shí)現(xiàn)集成度高的復(fù)雜檢測(cè)系統(tǒng)方面具有巨大潛力，在可穿戴傳感器領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，可用于多參數(shù)的并行測(cè)量。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202204525

審核編輯 ：李倩