全印刷有机电化学晶体管平台在汗液多离子检测中的突破性研究与应用

为解决传统汗液离子检测技术集成度低、单次测量受限等问题，研究人员开发了基于全印刷有机电化学晶体管（OECT）的柔性多离子传感平台。该研究通过优化喷墨印刷工艺，在柔性基底上集成具有离子选择膜的微型OECT阵列，实现了对汗液中Na+、K+等离子的实时同步检测，灵敏度达20%/dec，与商用传感器结果高度吻合。这项技术为个性化水合状态监测提供了可穿戴解决方案。

　　

在运动生理学和个性化健康监测领域，汗液分析正成为非侵入式检测的重要手段。传统汗液离子检测面临三大技术瓶颈：一是现有传感器多采用刚性基底，难以与人体皮肤共形贴合；二是多数设备仅能实现单次单指标检测，无法反映动态变化；三是商用离子检测仪器体积庞大，不适合可穿戴应用。这些限制使得运动员水合状态监测、代谢紊乱早期预警等应用场景难以实现。

针对这些挑战，瑞士联邦理工学院（ETH Zurich）等机构的研究团队在《Biosensors and Bioelectronics: X》发表创新成果。研究人员开发了全印刷柔性OECT阵列，通过集成离子选择膜和便携式读出系统，实现了汗液多离子实时监测。关键技术包括：喷墨印刷制备PEDOT:PSS有机通道；模板印刷离子选择膜（Na⁺/K⁺）；开发多通道便携电子读取系统；采用真实人体汗液样本验证（经瑞士沃州伦理委员会批准2019 01235号）。

【OECT平台构建】
研究团队采用聚酰亚胺柔性基底，通过喷墨印刷依次沉积银电极和PEDOT:PSS有机半导体层。创新性地采用模板印刷技术，在部分晶体管通道上选择性沉积Na⁺、K⁺离子选择膜，形成三功能传感阵列。器件的宽长比优化为0.4（W=0.5mm，L=1.25mm），确保高灵敏度与微型化平衡。

【电学特性表征】
在含120mM NaCl和20mM KCl的模拟汗液中，器件表现出典型OECT特性：无膜器件跨导0.5±0.4mS，Na⁺膜器件0.3±0.3mS，K⁺膜器件0.2±0.1mS。离子选择膜导致转移特性曲线右移（0.3-0.6V），这与膜厚相关（Na⁺膜20-30μm，K⁺膜40μm）。

【多分析物检测性能】
校准实验显示：K⁺膜器件灵敏度20.01±0.62%/dec，Na⁺膜器件19.04±0.71%/dec，无膜器件17.37±0.23%/dec。在1-20mM K⁺和10-120mM Na⁺的生理范围内均保持线性响应。

【真实汗液验证】
通过20名受试者骑行实验收集汗液样本，与商用LAQUAtwin传感器对比：无膜器件总离子检测误差±25%；引入校正因子后（Na⁺+20mM，K⁺-3mM），Na⁺检测误差缩至±25%，K⁺误差±3mM。离子色谱验证发现汗液中Cl^-浓度比Na⁺高3±2mM，这是伪参考电极产生系统误差的主因。

这项研究标志着可穿戴汗液监测技术的重大进步。全印刷工艺使成本大幅降低，65×35mm的便携式读取系统支持实时无线传输。特别值得注意的是，无膜OECT可直接评估总离子流失量，对运动补水指导具有即时价值。未来通过集成pH/温度补偿模块，并优化Ag/AgCl伪参考电极的氯离子依赖性，该平台有望拓展至更多代谢物检测。这项技术不仅适用于运动医学，也为囊性纤维化等疾病的长期监测提供了新思路。