【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國科學院合肥物質(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隊研發(fā)了包含固體接觸材料、傳感器陣列、微流控芯片、信號轉(zhuǎn)導與處理及數(shù)據(jù)可視化等多個模塊的全集成多路腕表，實現(xiàn)了對汗液中多種生理離子(K+，Na+和Ca2+)的實時可靠監(jiān)測。相關研究成果發(fā)表在國際期刊ACS Nano上。
 

　　無創(chuàng)識別汗液中的電解質(zhì)離子對于診斷醫(yī)學疾病具有重要意義，為評估人體健康提供了關鍵的信息。當前，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，并在實驗室環(huán)境下展現(xiàn)出了出色的分析能力，但這些材料在真實場景中對汗液離子進行實時監(jiān)測的可靠性尚未得到充分驗證和全面考量。此外，目前研發(fā)的一些多模塊集成可穿戴設備，過于注重模塊間的協(xié)調(diào)性，卻往往采用市面上已有的簡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)定性對其應用效果和使用壽命有著至關重要的影響，是確保傳感器能夠長期穩(wěn)定運行的基石。因此，如何設計一個穩(wěn)定的固體接觸界面，將多個模塊完全集成到一個汗液傳感器中，并實現(xiàn)同時對多個目標離子的高穩(wěn)定性監(jiān)測，仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
 

　　基于上述問題，固體所研究團隊設計研發(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抑制界面水層的特性，實現(xiàn)了實驗室條件下具有極低電位漂移的Na+長期穩(wěn)定檢測(1.37 μV/h，24 h)。此外，研究團隊開發(fā)了長期電位漂移僅為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氧化還原反應的轉(zhuǎn)導機制，為設計親脂陰離子觸發(fā)離子-電子轉(zhuǎn)導的氧化還原材料提供了有效的策略(Anal. Chem. 2024, DOI：10.1021/acs.analchem.4c00590)。
 

　　在前期工作基礎之上，研究團隊聚焦電位傳感芯片的核心模塊——固體接觸界面，設計了具有高界面穩(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，結(jié)合計算機斷層掃描技術(shù)和固-固界面電位擴散模擬，發(fā)現(xiàn)其存在極低的界面擴散電位和高界面電容，證實了多層孔交聯(lián)氮摻雜多孔碳微球的良好固體接觸潛力。
 

　　基于上述研究，研究團隊進一步開發(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、信號轉(zhuǎn)導、信號處理、數(shù)據(jù)可視化等多個模塊，可同時高度選擇性地穩(wěn)定監(jiān)測K+、Na+和Ca2+離子，實現(xiàn)了對人體汗液中K+、Na+和Ca2+離子濃度可靠的實時監(jiān)測。該多路腕表即使在放置半年后，仍能實現(xiàn)對人體汗液中的K+、Na+和Ca2+離子的可靠監(jiān)測，其穩(wěn)定性遠遠超過其它傳感芯片，具備優(yōu)異的長期使用性。該研究中綜合考慮材料設計、界面機理研究、傳感器芯片量產(chǎn)、模塊化完全集成等因素的開發(fā)策略，為推動多種技術(shù)融合的可穿戴電化學汗液傳感器提供了更多可能性。
 

　　固體所博士生蔡鑫、夏瑞澤和碩士生劉子豪為論文的共同第一作者，黃行九研究員、李培華助理研究員和楊猛副研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目、中國科學院青年創(chuàng)新促進會及國家自然科學基金項目等的資助。
 

　　圖. 監(jiān)測汗液中電解質(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的光學照片；(d)全集成多路腕表的爆炸圖；(e)包括電源管理、信號轉(zhuǎn)導、處理、有線/無線傳輸?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內(nèi)部的光學照片；(h)佩戴腕表的志愿者實時運動測試時的K+、Na+、Ca2+分析結(jié)果(紅線)、半年后的監(jiān)測結(jié)果(灰線)、相應的ICP-MS測試結(jié)果(圈)和顯示實時監(jiān)測模塊照片(插圖)。