全量程汗液速率传感器及其超疏水异相分流设计用于心理、皮肤健康与机体脱水评估

《SCIENCE ADVANCES》：A full-range sweat rate sensor with superhydrophobic heterophase shunt for psychology, skin health and body dehydration evaluating

　　

汗液分泌可为生理与心理状态提供洞察。然而，当前单一检测模式无法兼容气态与液态汗液的同步监测，限制了其在动态生理过程探究中的应用。研究人员报道了一种全集成汗液传感器，其采用异相分流（heterophase shunt）实现全量程汗液速率监测。通过非干扰式集成表皮微流导电导传感与湿度检测，实现了0.182～10 μL/(min·cm2)的连续测量。LiCl掺杂UiO-66-NH2赋予了湿度传感器高灵敏度与快速响应特性。仿生异相分流层由聚二甲基硅氧烷（PDMS）与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）共静电纺丝膜构成，表现出超疏水性（151.9°）、透气性（58.07 g/(H·m2)）及耐水压性（1.1 kPa）。该异相分流在整合汗液检测模式的同时，保护湿度传感器免受汗液腐蚀与皮肤接触损伤。结合专用弱信号处理模块，该传感器可应用于心理评估、皮肤健康及机体脱水评价。

研究背景：汗液作为个性化医疗中前沿的非侵入性生物样本，其分泌速率直接反映水热调节、自主神经应激反应、 hydration状态、心理压力及皮肤健康。汗液按生理可分为显汗（sensible sweat）与无感汗（insensible sweat），按物理形态可分为液态与气态，人体出汗速率跨越多个数量级。现有可穿戴汗液传感器以液态显汗检测为主，采用电学、热学或光学方法；其中电导/电容法虽稳定，但在低分泌速率下因快速蒸发导致体积低估，延误脱水预警。无感汗阶段依赖皮肤电活动（EDA）或皮表湿度（30%～100% RH）监测，但前者无法建立与汗液速率的直接映射，后者在高汗率下易饱和。单一模态无法覆盖全量程，是多场景应用的根本瓶颈。

关键技术方法：研究人员构建双模单点集成架构，将微流控电导传感（显汗）与LiCl@UiO-66-NH₂基湿度传感（无感汗）通过PDMS/PMMA共电纺超疏水透气膜（P@P SFM）作为异相分流层隔离耦合；采用激光切割与多层对齐层压制备柔性贴片，最大显汗容量88 μL；搭建双通道微型电导检测电路经蓝牙传输至移动终端；无感汗标定利用3D打印模拟蒸发装置在恒湿舱内以电导为中介拟合速率；体内验证含健康志愿者额、背、胸、股前、前臂多部位运动试验（动感单车，配华为手表心率），银屑病（psoriasis）患者手背正常/皮损/给药后对照测试，以及观影惊悚片同步EEG（occipital电极）与汗液记录，细胞相容性用NHDF（正常人类真皮成纤维细胞）行CCK-8与活死染色。样本均获伦理审批（SINANO/EC/2025–036）及知情同意。

研究结果：

概述可穿戴FRSR传感器：空间分离功能集成策略使湿度传感单元与微流入口同位点贴肤；低速率汗汽经P@P SFM孔隙扩散被MOF吸附，高速率液态汗经异相分流入微流道由叉指电极测流速，双路电导信号由专用电路无线输出。

LiCl@UiO-66-NH₂合成与优化：水热法制UiO-66-NH₂八面体，溶液浸渍掺LiCl；SEM/EDS/XRD/XPS确认12.5 wt%时LiCl高分散无聚集，比表面积由763.42降至30.09 m²/g；50 Hz/100 mV激励下log(G)=0.052·RH-9.223，响应10.339 s、恢复21.589 s，选定12.5 wt%为最优。

P@P SFM优化：仿荷叶微纳结构，PMMA为芯、PDMS为疏水壳，15 kV、PDMS:PMMA=2:2、收距7 cm时接触角151.9°，透气58.07 g/(H·m²)，耐静水压1.1 kPa，超疏水性维持1月。

无感汗传感器性能：直径5 mm叉指电极（指宽160 μm、间距175 μm）覆P@P SFM后log(G)=0.0505·RH-8.4713，响应31.87 s、恢复72.45 s；对常见挥发性气体无响应，弯曲/50周期/50 mmol/L NaCl浸泡30 min输出稳定，半封闭结构抑环境湿度干扰；模拟装置得G=0.541·v-0.098（v为无感汗率）。

显汗传感器性能：微流道宽500 μm、叉指电极宽100 μm、邻距6 mm，无汗开路；阶跃电导微分得脉冲间隔ΔT=85.67v^-1.16（R²=98.95%）；25°弯曲角时电导漂移，故体内选平坦区贴附；高强度篮球运动信号单调增。

多场景实现：双通道微型电路分离一次性贴片与复用模块；NHDF的CCK-8证实P@P SFM生物相容；银屑病患者皮损无感汗率高于正常皮、给药后下降；22～27°C下随环境温度与热水/辛辣/劳作/休息态区分汗率；惊悚片观看时枕叶EEG响应约20 s后无感汗显著上升；运动期额部先无感响应、显汗激活后两通道读数趋近，股前因低汗率仅无感通道可测；较单显汗法过渡区检测性能提升82.00%，脱水量预测较单显汗/单无感汗法分别提高32.44%与16.57%。

讨论与结论翻译：研究人员总结，该工作提出一种全量程汗液速率监测的创新传感器构型，通过非干扰集成显汗与无感汗检测模块，在单点实现0.182～10 μL/(min·cm²)连续监测，克服现有传感器量程局限。LiCl@UiO-66-NH₂作吸湿材料具高灵敏与快响应恢复；P@P SFM作异相分流保障吸湿元在复杂环境下稳定；显汗沿用微流电导法可长时监测88 μL；依托宽动态范围与双通道微型模块，该FRSR传感器适用于皮肤健康、日常活动、心理压力反馈及运动脱水预警。未来全量程汗液检测将为汗腺功能评价、自主神经病变与神经退行病（帕金森、糖尿病神经病变）早诊、药物疗效评估、个性化健康管理及应激量化提供独特洞见。该文发表于《SCIENCE ADVANCES》。