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乐鱼kb体育崔大祥团队在《Small》发表汗液检测相关研究成果

近日,乐鱼kb体育电子信息与电气工程学院感知科学与工程学院崔大祥教授团队在国际权威期刊《Small》以“A Fully Elastic Wearable Electrochemical Sweat Detection System of Tree-bionic Microfluidic Structure for Real-time Monitoring”(用于实时监测的树状仿生微流体结构全弹性可穿戴式电化学汗液检测系统)为题发表最新研究成果。该研究成果基于微流控技术的高效汗液收集及基于电化学的高精度、多指标汗液检测系统,可用于日常、运动或特殊场合的汗液监测,实时监控佩戴者的相应生理指标情况。

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研究背景

目前,尽管可穿戴设备在运动和医疗领域广泛应用,但由于传统的硬质PCB无法弯曲和拉伸、传感器性能和系统设计限制,其在健康应用方面受到限制。液体活检技术虽在健康监测、早期疾病诊断等方面取得成功,但实时非侵入性监测对日常生理指标追踪、慢性病管理等目前还难以实现。汗液,最易获取的一种体液,其包含的K+、Na+、葡萄糖和乳酸等成分可体现人体的代谢状况、生理压力和血糖变化。然而,现有汗液检测系统在实时、连续监测及系统佩戴舒适性上面临巨大挑战,本研究以树木蒸腾机制为灵感,提出了一种全弹性可穿戴电化学检测系统,名为“Sweatree”,以优化汗液采集、传输和实时检测,为长时间佩戴和实时监测提供了创新解决方案。

创新成果

针对以上问题,本研究提出了一种名为"Sweatree"的弹性可穿戴电化学汗液检测系统。该系统利用仿生微流体结构实现了汗液高效收集与排放,同时使用电化学传感器实现了高灵敏度、多参数、实时汗液检测。Sweatree系统包括Sweatree微流体系统和Sweatree Elastic Circuit Board(Sweatree ECB)检测系统。

前者采用树形仿生流体设计结合微加热器,有效收集、输送和排放汗液,保证检测区域汗液新鲜度,确保对汗液生物标志物进行准确可靠的分析。内置弹性多参数电化学传感器和嵌入式弹性检测电路,实现了对K+、Na+、葡萄糖和乳酸的实时检测。Sweatree ECB系统负责数据采集、放大、处理和计算,并可无线传输到服务器或移动设备。对本汗液检测系统数据综合分析将可能为了解个体的代谢状况、生理应激水平和血糖变化提供有价值的见解。Sweatree系统的实时检测功能使连续监测成为可能,有助于及时干预和个性化医疗。

此外,Sweatree系统的全弹性特性能与皱纹皮肤完美贴合,确保了长时间的佩戴舒适性,降低佩戴者在进行各种活动时的不适感或限制。它代表了弹性可穿戴汗液检测领域的重大进步,并且具有扩展到其他汗液标记物或各种可穿戴应用检测的广阔潜力。

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Sweatree系统示意图及功能框图

Sweatree微流体系统主要由树形仿生自驱微流控芯片、微型加热器和汗液多指标电化学传感器组成。当流体流经整个微流通道时,整个微流控芯片中的汗液被刷新。本研究所可实现汗液的刷新时间为60s。系统中的微加热器既可在局部促进汗液分泌,又可保证检测区域的温度相对恒定,间接提高了电化学检测系统的稳定性。

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“Sweatree”系统中的微流控芯片的结构、工作原理和性能测试

汗液多指标检测电化学是PI-Au-PI三明治结构(厚度20μm),可同时高灵敏地检测K+、Na+、葡萄糖和乳酸在汗液中的浓度。得益于微加热器的温度恒定作用,该多指标电化学传感器在较宽的检查范围内能保持良好的线性度。

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超薄多参数弹性电化学传感器的图像、电极修饰、扫描电子显微镜(SEM)表征和性能测试

此外,得益于弹性电路板(ECB)的可拉伸性,本研究实现了系统级的全弹性化,可完美的贴合皮肤表面,提高佩戴舒适性的同时降低因形变导致的测量误差。

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汗液检测弹性电路板系统结构图、测试图像以及疲劳和性能测试

研究团队

乐鱼kb体育电子信息与电气工程学院博士生牛嘉琦为本文第一作者,乐鱼kb体育电子信息与电气工程学院林树靖助理研究员和崔大祥教授担任本文共同通讯作者。该工作得到了科技部科技创新2030-脑科学重点研发专项基金、国家自然科学基金、上海市科委等项目经费支持。

崔大祥教授长期致力于微流控检测技术、纳米材料的制备、生物学效应与安全性评价、纳米粒子标记与纳米效应的肿瘤早期诊断系统与传感器的研制、多功能纳米探针与肿瘤的分子影像、胃癌相关的基因与蛋白质的结构与功能等方面的研究。

林树靖助理研究员的研究方向是MEMS技术,主要为生物微流控、柔性电子、柔性传感等领域。基于非硅MEMS技术,开发可批量化制造且兼容回流焊工艺的弹性电路板制造技术,可用于生物医学检测和可穿戴设备中。同时还研制了多款生物微流控芯片分别用于细胞和外泌体分离与富集,可大幅提高细胞和外泌体的分离纯度以及回收率。

论文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202306769

课题组网页:https://bne.sjtu.edu.cn/

电子信息与电气工程学院
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