放心的奔跑，有汗液感測器為你保駕護航！

每逢佳節胖三斤，請問過節嗨完的你，又雙叒叕胖了點沒？（這裡有小編關愛且邪惡的圍笑）重新激起減肥的慾望和衝動了沒？今天我們就來介紹一個神奇的健（jian）身（fei）「伴侶」——汗液感測器。

運動健身是件好事，揮灑汗水可以讓自己暢快舒服，但是，大量的電解質離子也會伴隨汗液分泌而迅速丟失。不論是長期訓練的運動員、熱愛運動的健康達人，還是內心躁動一時興起的熱血（減肥）青年，在運動過程中都有可能發生不同程度和不同類型的脫水情況。因此，專家常常會告誡，一定要根據自己的身體需求來飲水和補充電解質。然並卵，每次的運動跑、比賽，依然有很多人因為脫水而被抬上救護車。那麼，誰能告訴我們，應該在什麼時候補充水和電解質呢？

圖1. 跑步中大量補水而無電解質補充時，會導致不同類型和不同程度的脫水症，輕則眩暈、嘔吐，重則引起嚴重的生理威脅，如抽搐、昏迷、甚至死亡。

作為在調解體溫和排毒過程中起到重要作用的人體體液之一，汗液同時也富含有大量潛在的與健康和疾病相關的標誌物，其成分包括99%的水、電解質離子（Na ，Cl^-，K ，NH₄ ）、代謝小分子（乙醇、皮質醇、尿素和乳酸）、多肽和小分子蛋白質（神經肽和細胞素）等。所以說，相比較目前採集人體運動狀態（速度、距離、步頻等）和體征物理數據（心率、血壓、體溫等）的可穿戴健康設備，可穿戴的汗液檢測設備具有更為直接和準確判定人體健康狀態的意義。因此，可穿戴汗液感測器的研究是目前可穿戴健康電子設備領域發展的重點之一。

中科院蘇州納米所張珽研究團隊一直致力於柔性智能可穿戴的感測器的研究和開發，前期研發了可用於皮膚水分檢測的柔性可穿戴離子型濕度感測器（Advanced Science, 2017, 1600404,1-7, Back Cover）。近期，該研究團隊又創新性地設計了一種具有汗液採集、轉運和排出結構的可穿戴「導汗帶」汗液感測設備。

這套設備將感測器晶元與汗液導汗帶集成封裝，可舒適便捷地佩戴於人體額頭區域（如下圖3中A、B和C所示）。它可以在運動過程中對電解質離子進行實時連續的分析監測，還可以對健身運動過程中人們的脫水情況進行監測（如下圖3中E所示）。例如，運動員、軍人、工人等在劇烈運動、過熱的火災搶險等工作時會發生嚴重脫水情況而產生高鈉血症（hypernatremia），其汗液和血液中 Na 遠遠高出正常值，如果不及時判斷和補充水分或電解質，很可能引起嚴重的生理威脅，甚至死亡。而一些研究發現，容易抽筋的運動員 Na 的流失量比從來不抽筋的運動員多。因此，這套可穿戴「導汗帶」汗液感測設備對運動員、搶險急救人員、軍人在執行高強度任務過程中的生理健康狀況監測具有非常重要的預警和指導意義。

作為這套汗液感測設備的核心部件，感測器晶元發揮的作用可謂是「重中之重」。這個晶元是研究團隊針對微型化全固態離子感測器和全固態參比電極穩定性等關鍵科學技術問題，結合MEMS微納加工技術設計製備出的，具有微孔陣列為模板的電極晶元。採用一步電沉積法製備了大比表面積且可調控的三維金納米結構離子／電子傳導陣列電極。相對基於碳納米管、石墨烯、多孔碳等材料的離子／電子傳導層，該晶元具有製備簡單、重複性好等優勢。

通過該電極晶元構建的全固態離子選擇性電極，具有穩定的電位響應靈敏度（56.58 ± 1.02 mV/decade）、快速的響應時間（<10 s）和寬線性範圍（10^-6～10^-1 mol/L），感測器的電位漂移和水層干擾影響減小。通過優化參比電極聚合物膜和鹽的組分，在感測器晶元上集成了基於聚合物/氯化鉀的全固態參比電極，獲得的微型化參比電極晶元具有平衡時間短，對不同種類和不同離子強度電解質干擾響應小，對光不敏感，在 pH3～10範圍內響應穩定，具有長期穩定性（3個月）等優勢。以上性能對長期、穩定地在皮膚表面實時連續地汗液分析具有重要的應用價值。

圖2.（A）電沉積製備不同比表面積的三維金納米結構固體接觸傳導陣列電極；（B）全固態離子選擇性陣列電極構建的結構示意圖。

圖3.（A）、（B）和（C）為可穿戴「導汗帶」汗液感測器設備的照片和示意圖；（D）汗液感測器晶元在穿戴前和穿戴後對不同濃度標準Na^＋溶液的校準曲線；（E）為汗液感測器在人體上運動過程中實時連續監測汗液中Na^＋濃度變化的曲線圖。

相關研究成果近期已發表在Analytical Chemistry雜誌上（DOI: 10.1021/acs.analchem.7b01560），第一作者是王書琪博士。該工作得到了國家自然科學基金、江蘇省傑出青年基金和中國博士後科學基金資助項目等的資助。

來源：中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所

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