【分析】光敏印章启发的柔性可穿戴传感器用于人体汗液原位实时分析- 大数跨境

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2022-03-15

导读：湖北大学研究人员通过真空过滤及转印策略（简称PS-VFTP），批量制备出高性能的碳纳米管（SWCNTs）基柔性可穿戴汗液传感器。

光敏印章（PS）是由一种特殊的多孔材料（聚乙烯），通过曝光设备瞬间发出强光辐射，使材料表面发生光氧化及热交联作用制得图案化的印章，自上个世纪九十年代初发明以来，已广泛用于政府、企业及个人印章的制作。受此启发，近日，湖北大学研究人员通过真空过滤及转印策略（简称PS-VFTP），批量制备出高性能的碳纳米管（SWCNTs）基柔性可穿戴汗液传感器。

近年来，可穿戴传感器能够贴附在人体皮肤上持续地监测人体生理信号，并且不会妨碍或限制佩戴者的日常活动，其在智慧医疗监测领域备受关注。随着实时跟踪人体生命体征（温度、血压、脉搏、心率等）的可穿戴物理传感器在商业领域的高速发展，基于分子水平提供个人健康信息的可穿戴化学传感器的发展也势如破竹。其中，可穿戴电化学传感器在汗液传感方面已取得突破性进展，其对人体汗液中多种健康相关的目标分析物（代谢物、电解质、重金属离子等）实现了非侵入原位分析。从医疗健康管理或运动监测等实际应用性来看，可穿戴传感器中的柔性电极阵列应具备高灵敏度、高选择性、高均匀性和低成本等优异特性。目前，已报道的柔性电极阵列制备方法主要为光刻法、丝网印刷法、卷对卷法和激光雕刻法等，但这些方法依赖于先进的设备、专业的人才或复杂的制造工艺，这极大地限制其在资源稀缺地区的广泛推广。因此，开发简单、高效、经济的柔性电极阵列制备方法对于可穿戴汗液传感器的商业化进程至关重要。

研究人员基于光敏印章印制滤膜模板提出一种简单、低成本、环保的PS-VFTP策略，很好地弥补了上述缺憾。该工作以高分散性的SWCNTs溶液作为原料，通过真空过滤的方式，将SWCNTs导电层选择性地沉积在滤膜模板的电极阵列区域，再经过PDMS转印可快速批量地制备出高均匀性、高导电性和高机械稳定性的SWCNTs基柔性电极阵列；再对其传感界面进一步生物功能化后可用于汗液中葡萄糖、乳酸、Na⁺和K⁺的高灵敏、高选择性检测。此外，将该柔性传感阵列和信号采集与传输系统相集成，构建智能可穿戴汗液传感器，成功实现多种汗液目标物的原位实时监测（图1）。

图1. 光敏印章启发的柔性可穿戴电化学传感器。图片来源：Anal. Chem.

将上述PS-VFTP基智能可穿戴电化学传感器佩戴在志愿者的手腕上，在健身锻炼期间对其汗液进行实时监测与分析，通过多种目标物传感信息的整合，能够分析出志愿者在运动状态下的生理状态。最后，将上述原位汗液监测与非原位的国标测试结果相对照，两者分析结果趋势一致（图2），证明该工作的智能可穿戴电化学传感器在原位、实时、持续汗液监测方面准确可靠。

图2. PS-VFTP基智能穿戴电化学传感器用于人体汗液原位实时分析。图片来源：Anal. Chem.

该工作的亮点总结：（1）滤膜模板过滤及转印策略构思新颖，不需要外部固定的几何模板（如已报道的粘性PVC模板或刚性塑料模板），制备装置和过程简单，材料的利用率高达100%，制备成本低廉，柔性电极阵列的图案可个性化自主设计；（2）柔性电极阵列具有易于修饰或功能化、厚度可控、高均匀性和柔韧性、优异导电性和机械稳定性等特点，其在柔性电子器件制备领域具有广泛的应用前景；（3）功能化的柔性电极阵列可进一步和信号采集与传输系统相集成，最终以手机APP的形式将多种目标物的浓度实时呈现出来，其在智能电化学原位监测领域具有很好的实际应用价值。

这一工作近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是湖北大学郝俊兴博士，通讯作者为刘志洪教授。

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