导读：

纺织品汗液传感器在非侵入性健康监测方面具有巨大的潜力。快速原位汗液捕获并防止其蒸发对于准确、稳定的实时监测至关重要。近期，东华大学覃小红教授、季东晓研究员等人提出了一种单向、无需外部泵驱动的微流体汗液传感纱线（PM-SSY），该纱线能够快速、灵敏且稳定地检测汗液成分，并且可以集成到智能服装中用于健康监测，即使经过多次洗涤也能保持良好的性能。相关研究以“Pumpless Microfluidic Sweat Sensing Yarn”为题目发表于期刊《Biosensors and Bioelectronics》。

本文要点：

1、提出了一种单向、无泵驱动的微流控汗液管理系统，通过纳米纤维鞘层和微米级传感芯纱的跨尺度结构实现快速汗液采集和稳定监测。

2、利用纳米纤维的毛细效应快速捕获汗液，鞘层和芯纱的亲疏水性差异可防止汗液蒸发，跨尺度纤维间的拉普拉斯压差则有利于管理系统最终排出汗液。

3、该纱线传感器展现了快速（<5秒）、灵敏（19.8 nA μM^-1）和稳定的汗液检测能力，且可轻松集成到织物基底上以构成健康监测智能服装，即使经过20次洗涤也能保持良好的监测性能。

4、该设计为开发高性能、稳定和非侵入性的智能纱线传感器提供了一种新的解决方案，有助于推动可穿戴健康监测技术的发展。

所设计的无泵微流控汗液传感纱线（PM-SSY）的主要优势包括：

1、无泵设计：该系统利用毛细作用，无需外部泵送机制，简化了设备结构，降低了能耗。

2、快速捕获汗液：纳米纤维鞘层能够迅速捕获汗液，反应时间小于5秒，确保了实时监测的准确性。

3、防止汗液蒸发：通过亲水和疏水材料的差异配置，有效防止汗液蒸发，保持信号的稳定性。

4、高灵敏度：传感器的灵敏度达到19.8 nA μM^-1，能够检测到微量的生物标志物。

5、稳定性强：该系统具有信号噪声和漂移抑制功能，确保了长期监测的可靠性。

6、易于集成：该传感纱线可以轻松集成到各种织物中，便于制作智能健康监测服装。

7、耐洗性：经过20次洗涤后，该传感器仍能保持良好的监测性能，适合日常穿着。

8、非侵入性监测：该技术提供了一种非侵入性的健康监测方式，适合长期使用，减少了对皮肤的刺激。

纳米纤维鞘层在PM-SSY的汗液管理中主要发挥以下作用：

1、快速汗液捕获：纳米纤维鞘层具有高比表面积和毛细作用，能够迅速吸收皮肤表面的汗液，实现快速的原位采样。

2、防止汗液蒸发：由于纳米纤维鞘层的疏水性质，它能够有效阻止汗液在检测过程中的蒸发，从而维持汗液样本的稳定性，避免信号漂移和噪音。

3、促进汗液流动：纳米纤维鞘层与微米级芯纱之间存在的拉普拉斯压差，可以在没有外部力量的情况下促进汗液在纱线内部的流动，确保汗液能够顺利传输至检测区域。

4、保护活性层：纳米纤维鞘层能够保护芯纱上的活性层（如生物酶等），避免在佩戴、洗涤和长期使用过程中的物理或化学损伤，从而确保传感器的长期稳定性和可靠性。

5、增强传感性能：纳米纤维鞘层增加了汗液与传感器接触的表面积，有望提高传感器对汗液中特定生物标志物的检测灵敏度和选择性。

这种纳米纤维鞘层与微米级芯纱的组合材料，由于其独特的毛细作用和拉普拉斯压差设计，理论上是适合用于其他类型的液体传输的。以下是几个可能的应用领域：

1、药物输送系统：在医疗领域，这种结构可以用来设计药物输送系统，控制药物在体内的释放速度和位置。

2、微流体实验室芯片：在实验室芯片技术中，这种材料可以用来构建微流体通道，用于各种生化实验和分析。

3、环境监测：可以用来设计环境监测设备，用于收集和传输微量的水样或其他液体样本，以进行化学分析。

4、纺织品和服装：除了用于汗液传输，这种材料也可以用于设计具有特殊功能的纺织品，如防水透气的户外服装或具有液体管理功能的医疗服装。

5、农业：在精准农业中，这种材料可设计用于植物的精确灌溉系统，通过控制水分和营养物质的输送来优化植物生长。

6、能源存储：在能源存储领域，如燃料电池或电池技术中，这种材料可用于管理电解液的流动。

然而，将这种材料应用于其他类型的液体传输时，需要考虑液体的物理和化学特性，以及与材料相互作用的潜在影响。此外，还需要进行实验验证和优化设计，以确保在不同应用中实现高效和稳定的液体传输。

图1.单向无泵微流体汗液管理系统的原理。红色插图表示不含微流控表面的传感纱线，绿色插图表示本研究中开发的微流控系统。纳米纤维鞘层的锁汗能力对于获得稳定的电信号至关重要。

图2.PM-SSY的制备和表征。

图3.PM-SSY中汗液传输的表征和示意图。

图4.PM-SSY的电化学传感性能。

图5.无泵微流控汗液管理系统的体表汗液分析。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116713