科學(xué)島團(tuán)隊(duì)研發(fā)全集成多路腕表實(shí)現(xiàn)汗液電解質(zhì)離子實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所環(huán)境材料與污染控制研究部黃行九研究員團(tuán)隊(duì)研發(fā)了包含固體接觸材料、傳感器陣列、微流控芯片、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與處理及數(shù)據(jù)可視化等多個(gè)模塊的全集成多路腕表，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汗液中多種生理離子（K+，Na+和Ca2+）的實(shí)時(shí)可靠監(jiān)測(cè)。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際期刊ACS Nano上。

無(wú)創(chuàng)識(shí)別汗液中的電解質(zhì)離子對(duì)于診斷醫(yī)學(xué)疾病具有重要意義，為評(píng)估人體健康提供了關(guān)鍵的信息。當(dāng)前，雖然多種納米材料已被用于制造汗液傳感器的核心組件——固體接觸，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下展現(xiàn)出了出色的分析能力，但這些材料在真實(shí)場(chǎng)景中對(duì)汗液離子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的可靠性尚未得到充分驗(yàn)證和全面考量。此外，目前研發(fā)的一些多模塊集成可穿戴設(shè)備，過(guò)于注重模塊間的協(xié)調(diào)性，卻往往采用市面上已有的簡(jiǎn)單材料作為固體接觸，這在一定程度上削弱了固體接觸在提高汗液傳感器性能方面的核心作用。傳感芯片的穩(wěn)定性對(duì)其應(yīng)用效果和使用壽命有著至關(guān)重要的影響，是確保傳感器能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的基石。因此，如何設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的固體接觸界面，將多個(gè)模塊完全集成到一個(gè)汗液傳感器中，并實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)離子的高穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

基于上述問(wèn)題，固體所研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)了具有豐富微納結(jié)構(gòu)的SnS-MoS2異質(zhì)結(jié)等高效的離子敏感膜材料（ACS Sens. 2024, 9, 1, 415-423），發(fā)現(xiàn)異質(zhì)界面可加速電子傳遞并同時(shí)抑制界面水層的特性，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室條件下具有極低電位漂移的Na+長(zhǎng)期穩(wěn)定檢測(cè)（1.37 μV/h，24 h）。此外，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)期電位漂移僅為1.23±0.13 μV/h（24 h）的CunS固體接觸材料，固-固界面的X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS）光譜結(jié)果闡明了離子選擇膜中親脂陰離子（TFPB-）參與CunS氧化還原反應(yīng)的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，為設(shè)計(jì)親脂陰離子觸發(fā)離子-電子轉(zhuǎn)導(dǎo)的氧化還原材料提供了有效的策略（Anal. Chem. 2024, DOI：10.1021/acs.analchem.4c00590）。

在前期工作基礎(chǔ)之上，研究團(tuán)隊(duì)聚焦電位傳感芯片的核心模塊——固體接觸界面，設(shè)計(jì)了具有高界面穩(wěn)定性的多層孔交聯(lián)氮摻雜多孔碳微球作為固體接觸材料，保障了傳感界面的穩(wěn)定性。同時(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)和固-固界面電位擴(kuò)散模擬，發(fā)現(xiàn)其存在極低的界面擴(kuò)散電位和高界面電容，證實(shí)了多層孔交聯(lián)氮摻雜多孔碳微球的良好固體接觸潛力。

基于上述研究，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了基于多層孔交聯(lián)氮摻雜多孔碳微球傳感器陣列的多路腕表，包含固體接觸、傳感器陣列、微流控芯片、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)可視化等多個(gè)模塊，可同時(shí)高度選擇性地穩(wěn)定監(jiān)測(cè)K+、Na+和Ca2+離子，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體汗液中K+、Na+和Ca2+離子濃度可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該多路腕表即使在放置半年后，仍能實(shí)現(xiàn)對(duì)人體汗液中的K+、Na+和Ca2+離子的可靠監(jiān)測(cè)，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它傳感芯片，具備優(yōu)異的長(zhǎng)期使用性。該研究中綜合考慮材料設(shè)計(jì)、界面機(jī)理研究、傳感器芯片量產(chǎn)、模塊化完全集成等因素的開(kāi)發(fā)策略，為推動(dòng)多種技術(shù)融合的可穿戴電化學(xué)汗液傳感器提供了更多可能性。

圖. 監(jiān)測(cè)汗液中電解質(zhì)離子的全集成多路腕表：（a-c）三通道傳感器陣列示意圖和相應(yīng)的光學(xué)照片；（d）全集成多路腕表的爆炸圖；（e）包括電源管理、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、處理、有線/無(wú)線傳輸?shù)接脩艚缑娴膫鞲衅麝嚵袀鬏斀M件的系統(tǒng)示意圖；（f）志愿者佩戴的腕表以及相應(yīng)內(nèi)部的光學(xué)照片；（h）佩戴腕表的志愿者實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)測(cè)試時(shí)的K+、Na+、Ca2+分析結(jié)果（紅線）、半年后的監(jiān)測(cè)結(jié)果（灰線）、相應(yīng)的ICP-MS測(cè)試結(jié)果（圈）和顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊照片（插圖）。