Advanced Materials Technologies:从汗液中窥探健康的奥秘:无线、无源的柔性电化学传感贴片

汗液成分复杂,蕴含着丰富的健康信息,如果通过皮肤表面的汗液分析就可以实现无创的健康监测和疾病诊断,在生命健康领域无疑具有重要的意义和巨大的市场前景。正因如此,近年来贴皮式电化学传感器件发展迅速。对于该类器件来说,需要有一定的柔性和拉伸性,才能实现与皮肤完美的贴合,适应皮肤形变,给人近乎“无感”的穿戴体验。然而,大部分利用光刻或印刷工艺构建而成的柔性电极都无法实现良好的拉伸性能,需要借助弯曲导线等特殊设计来实现,增加了设计难度。同时,这些设备需要电池给传感电路供电,或者通过导线连接外部的电化学工作站来实现数据传输,大大限制了系统的小型化、柔性化和集成化。

近日,浙江大学刘清君课题组联合中科院苏州纳米所等研发单位基于印刷电子技术,近场通讯(NFC)技术,和电化学传感技术,构建了一种无线、无源、柔性的贴皮式电化学传感贴片,可以实现汗液中葡萄糖、钠离子、钾离子和pH等多种组分的定量分析(图1)。

图1 无线、无源、柔性的贴皮式电化学传感贴片

该传感贴片包括电极阵列和电路两个部分(图2)。电极阵列部分采用了柔性可拉伸的设计,通过全印刷工艺构建而成。基底采用了柔性、透明、可拉伸的高分子材料PDMS,其上用于电化学信号传输的导线部分采用银纳米线(AgNWs)和PDMS的复合物,这种可拉伸导线无需弯曲导线的设计,就可以实现0-50%的拉伸。并且在拉伸过程中,导线的电阻变化率可以控制在5%以内,保证了佩戴者的运动不会影响电化学信号的正常传导。电路部分是一块超薄的柔性印刷电路板,集成了NFC模块和电化学传感模块,可以实现电化学信号的处理,分析和无线数据传输。整个贴片无需电池,无需任何外部设备,只需一部智能手机,就可以实现无线供电和数据传输。

图2 传感贴片的分层示意图

为了验证贴片的传感性能,研究者们使用该贴片在健身房进行了在体的汗液成分分析测试。图3展示了志愿者在健身过程中汗液里几种目标物浓度随时间变化的曲线。

图3 在体汗液成分分析

相对于已有的贴皮式电化学传感器件,该研究实现了传感系统进一步的小型化、柔性化和集成化,为可穿戴生物医学传感提供了一个强有力的平台。

该平台不仅可以应用于汗液成分分析,通过与微针、离子电渗等模块结合,还可实现贴皮式的组织液甚至血液检测。由于系统无线、无源,未来也可广泛用于植入式的电化学传感与分析。相关文章在线发表在Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.201800658)上。