柔性电子技术与汗液监测

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为了获得有关人类生理指标的更多有见地的信息,科研人员现已开发出各种保形化学生物传感器,来无创地监测人体液体中的生物标志物。许多类型的液体生物标志物已被当作疾病检测的指标,例如汗液。

汗液包含了数十到数百种化合物,在特定电解质浓度的分析中起着重要作用。在汗液中可以监测人体内积累的各种金属离子和生物分子,包括钠、铵、乳酸和葡萄糖等。这些分子和离子与人类健康状况密切相关。例如,Na+或K+的过度流失会导致低钾血症,低钠血症或肌肉痉挛,而过多的铜积累会导致威尔逊氏病和肾衰竭。尽管如此,由于汗液中的重金属浓度极低,仅为μg/L,所以检测汗液中的重金属仍然是一个巨大的挑战。

如上图所示,在过去的十年中,基于不同的检测策略,科研人员已经提出并开发了许多汗液生物传感器的柔性平台。汗液分析通常是通过使用在体育锻炼过程中直接附着在人体上的汗液收集器来进行。随后从收集器中提取汗液,并通过各种选择性传感器进行分析。通过使用各种生理指标(例如出汗量,PH值和出汗率)以及各种生物标记物(如乳酸,葡萄糖,氯化物和肌酐)来提供设备级别的演示。

迄今为止,科研人员已经制造了一种可穿戴的微流体系统,该系统能够精确、常规地测量分泌性流体压力,这些压力的大小可以提供有关生理健康和心理压力因素的见解。另外,科研人员还设计了一款柔软的汗液监测设备,通过引入带有毛细管破裂阀的微流体网络来存储汗水并计算出汗率。现已制造出可穿戴且无毒的PH传感器,以桥接汗液PH和钠浓度之间的联系。

与传统的基于阻抗的汗液电导率监测传感器相比,这是一种光学PH传感器,并具有多个优点。此外,现已研发了带有Ag/AgCl对电极的石墨烯生化传感器,该传感器在监测人类汗液中的各种生物标志物时,表现出出色的灵敏度和选择性。

为了获得有关人类健康状况的更多信息,不同的研究小组试图基于生物传感器阵列开发人类汗液样本中的多重传感。如上图所示,现已开发了一种完全集成的可穿戴传感器阵列,用于测量人类受试者的详细汗液曲线。基于皮肤的塑料基设备具有很高的重复性和出色的稳定性,可选择性检测多种重金属,例如锌,镉,铅,铜和汞。该设备包含五个传感器和十多个芯片(请参阅下图)。

它可以通过对人类受试者的生理状态进行信号处理,来测量和准确评估汗液中的多路复用信号。现还开发了另一个可穿戴汗液分析平台,以使用电化学增强的离子电渗疗法界面提取足够的汗水,以进行可靠的监测,如下图所示。

该平台可以实时评估汗液中存在的重金属(例如锌,镉,铅,铜和汞),并提供重金属暴露的预警。此外,如下图所示,科研人员提出了一种材料和设计策略,以将柔性和可伸缩的无线传感器集成到功能性弹性体基材上,以进行汗液的表皮分析;PH值和各种离子(OH-,H+,Cu+和Fe2+)浓度的比色响应提供了与汗液分析相关的功能。该平台提供了开发传感器的策略,来监控与汗液和其他人体液体相关的一系列参数。出汗监测可以实时评估对象的生理状态,还可以提供长时间从事户外和室内活动的人类对象的各种概况。

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