基于流體控制的可穿戴傳感平臺

為了評估在高溫下工作或進行體育活動的人的生理健康和水合狀態(tài)，人們越來越多地要求實時和連續(xù)測量汗率和電解質(zhì)濃度。由于人類在體溫調(diào)節(jié)出汗過程中會損失大量的水和電解質(zhì)，如果不能及時適當補充，其健康狀況和運動表現(xiàn)會嚴重惡化；此外，由于水電解質(zhì)代謝平衡的異常，各種生理功能都會發(fā)生變化。同時，隨著全球變暖的加劇，熱浪（溫度上升）使弱勢人群處于熱相關疾病的高風險中，尤其是病人、兒童、老人、戶外勞動者（建筑工人、交通警察）、消防員、士兵、運動員和參加體育運動的人。由于體力消耗和較高的環(huán)境溫度都會導致機體過熱（熱應激），汗液的分泌成為最有效的生理冷卻機制。在現(xiàn)場診斷方面，汗率和電解質(zhì)濃度的組合可以作為水合狀態(tài)和熱病狀況的有效指標。因此，迫切需要開發(fā)能夠同步監(jiān)測汗液速率和電解質(zhì)濃度的可穿戴式汗液傳感器，這對個性化保健和醫(yī)療診斷至關重要。

最近，人們開發(fā)了不同原理和類型的可穿戴汗液速率傳感器，以取代傳統(tǒng)的不方便的測重技術（吸水墊技術、全身沖洗法），進行實時和連續(xù)的汗液分析。其中，基于柔性微流控的可穿戴汗液傳感器為原位汗液收集和分析提供了一個很好的機會，因為帶有微通道的低模量微流控基底可以與表皮緊密接觸，進行汗液捕捉、流動和儲存。

通過將微通道與比色法和阻抗法傳感器整合，研究人員已成功開發(fā)了表皮微流控傳感平臺，用于汗液體積相關的測量（包括出汗率和失水）。基于阻抗的傳感器通常由長微通道（幾十到幾百毫米）內(nèi)的兩個平行電極組成，顯示出連續(xù)電信號和與其他汗液傳感器的良好兼容性的優(yōu)勢，可用于可穿戴分析。由于汗液是通過靜水壓力從皮膚分泌出來的，并且可以產(chǎn)生0.1-20nL/min/腺體的流速，基于微流控的汗液傳感器主要是依靠汗液被推入微通道并流過一定長度的工作原理進行阻抗測量。然而，在這種類型的系統(tǒng)中，應仔細解決幾個挑戰(zhàn)：（1）汗液浸泡的電極之間的阻抗值受汗液量和電解質(zhì)濃度的影響，為此，必須提出更多的校準方法和傳感器，包括參考阻抗電極、電化學離子選擇性傳感器，或具有相互咬合的手指的電極，以區(qū)分汗水速率和離子濃度信號；（2）通過軟光刻技術制造長微通道的程序和校準傳感器的整合導致了系統(tǒng)的復雜性；（3）由于汗液成分的濃度受汗液速率的影響，長通道中新舊汗液樣本的稀釋和混合將干擾測量結(jié)果；（4）汗液速率檢測的準確性和通道的體積容量受制于微通道本身的特性，包括通道的大小、長度、幾何形狀和表面潤濕性。

基于此，中國科學院蘇州納米所張珽研究員團隊提出了一個新穎的流體控制的可穿戴傳感平臺，用于同步滴水檢測汗水率和總電解質(zhì)濃度。在該項研究中，研究人員根據(jù)Hagen-Poiseuille的流體力學方程，設計了一個短的垂直通道（約0.5 mm）、一對嵌入式電導電極，以及一個吸收層，從而形成一個非常規(guī)的基于微流控的阻抗式汗液傳感平臺，以最大限度地減少流動阻力，并將汗液流體轉(zhuǎn)化為均勻的微液滴，用于按時間順序和逐滴檢測。實時汗液電導率與類似方波的曲線解耦，其中汗液速率和電解質(zhì)濃度可分別從間隔時間和峰值中得出。此外，研究人員提供了一種新的架構(gòu)支持的傳感原理，簡單且與可穿戴設備兼容，不需要額外的校準方法就能在體外測試中進行準確的汗液檢測，具有在運動期間進行水合狀態(tài)評估的潛在應用。

圖1 流體控制的可穿戴汗液傳感器平臺

圖2 不同吸收層吸收材料對電導曲線的影響

圖3 傳感器在各種汗液流速范圍內(nèi)的性能

圖4 各種濃度范圍的NaCl溶液中的傳感器性能

綜上所述，研究人員開發(fā)了一種新穎的可穿戴式汗液傳感器平臺，用于免校準和同步測量汗液速率和總電解質(zhì)濃度。具體地，該平臺基于一種流體控制的微流控設計，以實現(xiàn)對汗液的滴定檢測，避免新舊汗液樣本稀釋和混合的影響，這也很好地符合了固定兩個變量（濃度和體積）之一的解耦原理，使其成為一個單變量分析系統(tǒng)。多次實際測試顯示，區(qū)域汗率、汗液流失和總電解質(zhì)濃度可以同步實現(xiàn)。

由于結(jié)構(gòu)的簡單性、去耦原理的高效率和信號的免校準特性，這種流體控制的可穿戴汗液傳感器平臺顯示出巨大的潛力，可以實際應用于評估在高溫下工作或進行體育活動的人的生理健康和水化狀態(tài)。目前，該傳感器平臺的設計更適合在運動等高出汗情況下使用。在低流速情況下，需要更長的時間來填充垂直通道，減少了檢測的“真實時間”，并可能導致一些偏差。此外，與體外測試相比，在運動測試中的影響因素更加復雜。腺體產(chǎn)生的汗液在流速上并不穩(wěn)定，相反，它是脈動的。未來，需要優(yōu)化傳感平臺的設計和制作工藝，研究運動測試過程中請多因素的影響，進一步提高其穩(wěn)定性。

圖5 在室內(nèi)騎自行車時進行體汗分析