為了評(píng)估在高溫下工作或進(jìn)行體育活動(dòng)的人的生理健康和水合狀態(tài)，人們?cè)絹碓蕉嗟匾髮?shí)時(shí)和連續(xù)測(cè)量汗率和電解質(zhì)濃度。由于人類在體溫調(diào)節(jié)出汗過程中會(huì)損失大量的水和電解質(zhì)，如果不能及時(shí)適當(dāng)補(bǔ)充，其健康狀況和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重惡化；此外，由于水電解質(zhì)代謝平衡的異常，各種生理功能都會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)，隨著全球變暖的加劇，熱浪（溫度上升）使弱勢(shì)人群處于熱相關(guān)疾病的高風(fēng)險(xiǎn)中，尤其是病人、兒童、老人、戶外勞動(dòng)者（建筑工人、交通警察）、消防員、士兵、運(yùn)動(dòng)員和參加體育運(yùn)動(dòng)的人。由于體力消耗和較高的環(huán)境溫度都會(huì)導(dǎo)致機(jī)體過熱（熱應(yīng)激），汗液的分泌成為最有效的生理冷卻機(jī)制。在現(xiàn)場(chǎng)診斷方面，汗率和電解質(zhì)濃度的組合可以作為水合狀態(tài)和熱病狀況的有效指標(biāo)。因此，迫切需要開發(fā)能夠同步監(jiān)測(cè)汗液速率和電解質(zhì)濃度的可穿戴式汗液傳感器，這對(duì)個(gè)性化保健和醫(yī)療診斷至關(guān)重要。

最近，人們開發(fā)了不同原理和類型的可穿戴汗液速率傳感器，以取代傳統(tǒng)的不方便的測(cè)重技術(shù)（吸水墊技術(shù)、全身沖洗法），進(jìn)行實(shí)時(shí)和連續(xù)的汗液分析。其中，基于柔性微流控的可穿戴汗液傳感器為原位汗液收集和分析提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，因?yàn)閹в形⑼ǖ赖牡湍Ａ课⒘骺鼗卓梢耘c表皮緊密接觸，進(jìn)行汗液捕捉、流動(dòng)和儲(chǔ)存。

通過將微通道與比色法和阻抗法傳感器整合，研究人員已成功開發(fā)了表皮微流控傳感平臺(tái)，用于汗液體積相關(guān)的測(cè)量（包括出汗率和失水）。基于阻抗的傳感器通常由長微通道（幾十到幾百毫米）內(nèi)的兩個(gè)平行電極組成，顯示出連續(xù)電信號(hào)和與其他汗液傳感器的良好兼容性的優(yōu)勢(shì)，可用于可穿戴分析。由于汗液是通過靜水壓力從皮膚分泌出來的，并且可以產(chǎn)生0.1-20nL/min/腺體的流速，基于微流控的汗液傳感器主要是依靠汗液被推入微通道并流過一定長度的工作原理進(jìn)行阻抗測(cè)量。然而，在這種類型的系統(tǒng)中，應(yīng)仔細(xì)解決幾個(gè)挑戰(zhàn)：（1）汗液浸泡的電極之間的阻抗值受汗液量和電解質(zhì)濃度的影響，為此，必須提出更多的校準(zhǔn)方法和傳感器，包括參考阻抗電極、電化學(xué)離子選擇性傳感器，或具有相互咬合的手指的電極，以區(qū)分汗水速率和離子濃度信號(hào)；（2）通過軟光刻技術(shù)制造長微通道的程序和校準(zhǔn)傳感器的整合導(dǎo)致了系統(tǒng)的復(fù)雜性；（3）由于汗液成分的濃度受汗液速率的影響，長通道中新舊汗液樣本的稀釋和混合將干擾測(cè)量結(jié)果；（4）汗液速率檢測(cè)的準(zhǔn)確性和通道的體積容量受制于微通道本身的特性，包括通道的大小、長度、幾何形狀和表面潤濕性。

基于此，中國科學(xué)院蘇州納米所張珽研究員團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)新穎的流體控制的可穿戴傳感平臺(tái)，用于同步滴水檢測(cè)汗水率和總電解質(zhì)濃度。在該項(xiàng)研究中，研究人員根據(jù)Hagen-Poiseuille的流體力學(xué)方程，設(shè)計(jì)了一個(gè)短的垂直通道（約0.5 mm）、一對(duì)嵌入式電導(dǎo)電極，以及一個(gè)吸收層，從而形成一個(gè)非常規(guī)的基于微流控的阻抗式汗液傳感平臺(tái)，以最大限度地減少流動(dòng)阻力，并將汗液流體轉(zhuǎn)化為均勻的微液滴，用于按時(shí)間順序和逐滴檢測(cè)。實(shí)時(shí)汗液電導(dǎo)率與類似方波的曲線解耦，其中汗液速率和電解質(zhì)濃度可分別從間隔時(shí)間和峰值中得出。此外，研究人員提供了一種新的架構(gòu)支持的傳感原理，簡單且與可穿戴設(shè)備兼容，不需要額外的校準(zhǔn)方法就能在體外測(cè)試中進(jìn)行準(zhǔn)確的汗液檢測(cè)，具有在運(yùn)動(dòng)期間進(jìn)行水合狀態(tài)評(píng)估的潛在應(yīng)用。

圖1 流體控制的可穿戴汗液傳感器平臺(tái)

圖2 不同吸收層吸收材料對(duì)電導(dǎo)曲線的影響

圖3 傳感器在各種汗液流速范圍內(nèi)的性能

圖4 各種濃度范圍的NaCl溶液中的傳感器性能

綜上所述，研究人員開發(fā)了一種新穎的可穿戴式汗液傳感器平臺(tái)，用于免校準(zhǔn)和同步測(cè)量汗液速率和總電解質(zhì)濃度。具體地，該平臺(tái)基于一種流體控制的微流控設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)汗液的滴定檢測(cè)，避免新舊汗液樣本稀釋和混合的影響，這也很好地符合了固定兩個(gè)變量（濃度和體積）之一的解耦原理，使其成為一個(gè)單變量分析系統(tǒng)。多次實(shí)際測(cè)試顯示，區(qū)域汗率、汗液流失和總電解質(zhì)濃度可以同步實(shí)現(xiàn)。

由于結(jié)構(gòu)的簡單性、去耦原理的高效率和信號(hào)的免校準(zhǔn)特性，這種流體控制的可穿戴汗液傳感器平臺(tái)顯示出巨大的潛力，可以實(shí)際應(yīng)用于評(píng)估在高溫下工作或進(jìn)行體育活動(dòng)的人的生理健康和水化狀態(tài)。目前，該傳感器平臺(tái)的設(shè)計(jì)更適合在運(yùn)動(dòng)等高出汗情況下使用。在低流速情況下，需要更長的時(shí)間來填充垂直通道，減少了檢測(cè)的“真實(shí)時(shí)間”，并可能導(dǎo)致一些偏差。此外，與體外測(cè)試相比，在運(yùn)動(dòng)測(cè)試中的影響因素更加復(fù)雜。腺體產(chǎn)生的汗液在流速上并不穩(wěn)定，相反，它是脈動(dòng)的。未來，需要優(yōu)化傳感平臺(tái)的設(shè)計(jì)和制作工藝，研究運(yùn)動(dòng)測(cè)試過程中請(qǐng)多因素的影響，進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性。

圖5 在室內(nèi)騎自行車時(shí)進(jìn)行體汗分析