基于介电响应与滑动轨道微流控的可穿戴汗液传感器实现实时多标志物精准监测

本刊推荐：本研究创新性地开发了一种基于介电响应（DRS）的可穿戴汗液传感器，集成滑动轨道驱动微流控系统，可同步检测电位、电导和阻抗相位信号，实现对汗液中多种生物标志物（如Na+、K+）和电解质的广谱（5?μM–1?M）、高灵敏（LOD<5?μM）及稳定（>30天）监测。结合机器学习算法，该平台在人工汗液分类中准确率达99.03%，为运动生理监测与智能健康诊断提供了突破性解决方案。

　　

Highlight

本研究开发了一种基于介电响应的汗液（DRS）传感器，其创新性地结合了滑动轨道驱动的微流控系统，用于连续、无创的生物流体分析。该传感器能够同步测量电位、电导和阻抗相位信号，从而实现对特定汗液成分的精确识别与定量。在双操作模式下测得的介电响应为生物标志物和电解质分析提供了卓越性能，包括宽检测范围（5?μM–1?M）、超低检测限（<5?μM）和出色的稳定性（>30?天）。此外，在机器学习的辅助下，人工汗液表征的分类准确率达到99.03%。进一步的体上汗液分析证实了汗液生物标志物与运动强度之间的强相关性。通过将先进微流控工程与人工智能协同整合，该DRS平台为实时生理监测建立了一种变革性方法，其可扩展应用涵盖运动表现优化、预防保健和下一代可穿戴诊断设备。

Section snippets

Device fabrication

可穿戴DRS传感器的制备流程如图S1所示。四个电极采用与我们先前工作类似的方法制备于聚酰亚胺（PI）基底上。TiO₂/Ti电极通过电子束蒸发仪（CSWN MEB-600）沉积钛层后经氧化工艺获得。三个AgCl/Ag电极则在银层沉积后通过氯化工艺制备。通过监测电流变化来跟踪氧化和氯化过程。

Design of the DRS sensor

图1(a)展示了这款柔性介电响应传感器（DRS），专为人体皮肤上的实时、原位汗液分析而设计。如图1(b)所示，该汗液传感器包含PI基底、对齐电极、PDMS微流道和滑动轨道组件。在PDMS微流道上打有一个直径为5?mm的孔以促进汗液吸收。微流道设计为两侧暴露于空气中，确保内部气压平衡并促进汗液高效流动。

Conclusions

总之，本研究提出了一种用于实时、无创汗液监测的可穿戴DRS传感器。该传感器由柔性PI基底上的对齐电极、PDMS微流道和3D打印滑动轨道组件构成。该传感器平台通过对电位、电导和阻抗相位响应的双模式介电分析，在定量检测汗液成分及其混合物方面展现出卓越的分析能力。