近期，中國科學(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)了對汗液中多種生理離子（K+，Na+和Ca2+）的實(shí)時(shí)可靠監(jiān)測。相關(guān)研究成果以“Fully Integrated Multiplexed Wristwatch for Real-Time Monitoring of Electrolyte Ions in Sweat”為題，發(fā)表在國際期刊ACS Nano（ACS Nano , 2024, 18, 20, 12808–12819）。

無創(chuàng)識(shí)別人體汗液中的電解質(zhì)離子有助于查明相關(guān)的醫(yī)學(xué)疾病，為了解人體健康狀況提供重要的依據(jù)。目前，多種納米材料已被應(yīng)用于汗液傳感器的核心部件——固體接觸，并在實(shí)驗(yàn)室條件下取得了優(yōu)異的分析結(jié)果，但其在汗液離子實(shí)景實(shí)時(shí)監(jiān)測中的可靠應(yīng)用暫未得到全面的考慮和充分的開發(fā)。此外，部分多模塊集成可穿戴設(shè)備的研究工作，大多只關(guān)注各模塊間的協(xié)調(diào)，或者使用一些已經(jīng)商品化的簡單材料作為固體接觸，削弱甚至忽視了固體接觸作為汗液傳感器性能核心保障的重要作用。傳感芯片的穩(wěn)定性問題關(guān)乎其應(yīng)用效果和使用壽命，是保證傳感器長期可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，設(shè)計(jì)穩(wěn)定的固體接觸界面，全集成多個(gè)模塊的汗液傳感器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對多個(gè)目標(biāo)離子的高穩(wěn)定監(jiān)測仍然極具挑戰(zhàn)性。

基于上述問題，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+長期穩(wěn)定檢測（1.37 μV/h，24 h）。此外，研究團(tuán)隊(duì)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(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K+、Na+和Ca2+離子，實(shí)現(xiàn)了對人體汗液中K+、Na+和Ca2+離子濃度可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)測。該多路腕表即使在放置半年后，仍能實(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(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。

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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)及國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等的資助。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c13035

https://doi.org/10.1021/acssensors.3c02185

https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c00590

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(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)測試時(shí)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(yīng)的ICP-MS測試結(jié)果（圈）和顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊照片（插圖）。