放心的奔跑，有汗液传感器为你保驾护航！
2017/10/15 中科院之声
每逢佳节胖三斤，请问过节嗨完的你，又双叒叕胖了点没？(这里有小编关爱且邪恶的围笑)重新激起减肥的欲望和冲动了没？今天我们就来介绍一个神奇的健(jian)身(fei)“伴侣”——汗液传感器。
运动健身是件好事，挥洒汗水可以让自己畅快舒服，但是，大量的电解质离子也会伴随汗液分泌而迅速丢失。不论是长期训练的运动员、热爱运动的健康达人，还是内心躁动一时兴起的热血(减肥)青年，在运动过程中都有可能发生不同程度和不同类型的脱水情况。因此，专家常常会告诫，一定要根据自己的身体需求来饮水和补充电解质。然并卵，每次的运动跑、比赛，依然有很多人因为脱水而被抬上救护车。那么，谁能告诉我们，应该在什么时候补充水和电解质呢？
图1. 跑步中大量补水而无电解质补充时，会导致不同类型和不同程度的脱水症，轻则眩晕、呕吐，重则引起严重的生理威胁，如抽搐、昏迷、甚至死亡。
作为在调解体温和排毒过程中起到重要作用的人体体液之一，汗液同时也富含有大量潜在的与健康和疾病相关的标志物，其成分包括99%的水、电解质离子(Na+，Cl-，K+，NH4+)、代谢小分子(乙醇、皮质醇、尿素和乳酸)、多肽和小分子蛋白质(神经肽和细胞素)等。所以说，相比较目前采集人体运动状态(速度、距离、步频等)和体征物理数据(心率、血压、体温等)的可穿戴健康设备，可穿戴的汗液检测设备具有更为直接和准确判定人体健康状态的意义。因此，可穿戴汗液传感器的研究是目前可穿戴健康电子设备领域发展的重点之一。
中科院苏州纳米所张珽研究团队一直致力于柔性智能可穿戴的传感器的研究和开发，前期研发了可用于皮肤水分检测的柔性可穿戴离子型湿度传感器(Advanced Science, 2017, 1600404,1-7, Back Cover)。近期，该研究团队又创新性地设计了一种具有汗液采集、转运和排出结构的可穿戴“导汗带”汗液传感设备。
这套设备将传感器芯片与汗液导汗带集成封装，可舒适便捷地佩戴于人体额头区域(如下图3中A、B和C所示)。它可以在运动过程中对电解质离子进行实时连续的分析监测，还可以对健身运动过程中人们的脱水情况进行监测(如下图3中E所示)。例如，运动员、军人、工人等在剧烈运动、过热的火灾抢险等工作时会发生严重脱水情况而产生高钠血症(hypernatremia)，其汗液和血液中 Na+ 远远高出正常值，如果不及时判断和补充水分或电解质，很可能引起严重的生理威胁，甚至死亡。而一些研究发现，容易抽筋的运动员 Na+ 的流失量比从来不抽筋的运动员多。因此，这套可穿戴“导汗带”汗液传感设备对运动员、抢险急救人员、军人在执行高强度任务过程中的生理健康状况监测具有非常重要的预警和指导意义。
作为这套汗液传感设备的核心部件，传感器芯片发挥的作用可谓是“重中之重”。这个芯片是研究团队针对微型化全固态离子传感器和全固态参比电极稳定性等关键科学技术问题，结合MEMS微纳加工技术设计制备出的，具有微孔阵列为模板的电极芯片。采用一步电沉积法制备了大比表面积且可调控的三维金纳米结构离子/电子传导阵列电极。相对基于碳纳米管、石墨烯、多孔碳等材料的离子/电子传导层，该芯片具有制备简单、重复性好等优势。
通过该电极芯片构建的全固态离子选择性电极，具有稳定的电位响应灵敏度(56.58 ± 1.02 mV/decade)、快速的响应时间(<10 s)和宽线性范围(10-6～10-1 mol/L)，传感器的电位漂移和水层干扰影响减小。通过优化参比电极聚合物膜和盐的组分，在传感器芯片上集成了基于聚合物/氯化钾的全固态参比电极，获得的微型化参比电极芯片具有平衡时间短，对不同种类和不同离子强度电解质干扰响应小，对光不敏感，在 pH3～10范围内响应稳定，具有长期稳定性(3个月)等优势。以上性能对长期、稳定地在皮肤表面实时连续地汗液分析具有重要的应用价值。
图2.(A)电沉积制备不同比表面积的三维金纳米结构固体接触传导阵列电极；(B)全固态离子选择性阵列电极构建的结构示意图。
图3.(A)、(B)和(C)为可穿戴“导汗带”汗液传感器设备的照片和示意图；(D)汗液传感器芯片在穿戴前和穿戴后对不同浓度标准Na+溶液的校准曲线；(E)为汗液传感器在人体上运动过程中实时连续监测汗液中Na+浓度变化的曲线图。
相关研究成果近期已发表在 Analytical Chemistry 杂志上(DOI: 10.1021/acs.analchem.7b01560)，第一作者是王书琪博士。该工作得到了国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金和中国博士后科学基金资助项目等的资助。
来源：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
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