作者:王敏,蔡鑫 来源:中国科学报 发布时间:2024/6/17 13:45:37
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监测身体健康,也许只需一滴汗?

 

炎炎夏日,太阳暴晒之下,光是走在路上就能出一身的汗。不过擦拭汗水时,你是否想过,仅仅通过一滴汗,就能洞察身体的健康状况?

近日,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员黄行九团队研发出了包含固体接触材料、传感器阵列、微流控芯片、信号转导与处理及数据可视化等多个模块的全集成多路腕表,能够精确识别汗液中的钾、钠、钙等关键电解质离子,相当于医疗健康监测的“预报灯”。相关研究成果日前发表在《美国化学学会纳米》期刊上。

 监测汗液中电解质离子的全集成多路腕表。课题组供图

汗液中的电解质离子:

人体健康指标的“晴雨表”

黄行九介绍,“汗液作为人体的自然产物,远不止是利用简单的水分蒸发来实现体表降温那样简单。汗液蕴藏着丰富的健康信息,是连接内在机能与外界环境的桥梁,已经成为研究人员监测人体健康的重要渠道。”

汗液含有电解质、代谢产物、药物、微量元素等多种成分。尤其是电解质离子,如钾、钠、钙等,其在体内的平衡状态对神经传导、肌肉收缩、心脏跳动等生命活动至关重要,是维持人体正常生理功能的必需品。

例如,钾离子参与心脏肌肉细胞和心肌细胞静息/动作电位的形成,与心脏的正常跳动和节律有着密不可分的联系,流失过多可能影响心脏跳动和神经肌肉功能,而钠离子的流失可能导致疲劳、头晕、肌肉痉挛等症状。

因此,汗液中的离子浓度作为评估人体水分平衡、神经肌肉功能乃至心脏健康的一个重要指标,其浓度变化往往与多种疾病密切相关。“通过分析汗液中的离子浓度,我们就可以监测体内水分平衡、电解质状态、能量代谢情况乃至一些疾病等潜在健康问题的早期预警信号。”黄行九说道。

可穿戴汗液离子监测设备:

健康科技的“保护侠”

与其他生物流体,比如血液、尿液等体液的监测相比,汗液监测有其独特的优势:既没有很强的侵入性,不用扎针,还可以实现连续长时间监测,极大地提高了使用者的舒适度,因此在健康监测和医疗诊断领域有着巨大的潜力。

最初汗液成分的化学分析多依赖于大型仪器。后来,随着微电子技术和生物传感技术的快速发展,研究人员开发出了多种更加先进的传感器,能够直接贴合人体表皮,实时“解析”汗液,从中获取各种重要的生理指标信息。

通过集成微流控技术,传感器能以更少的样本量完成高效分析;结合无线传输技术,传感器能实时同步数据至智能手机或云端,为用户提供即时的健康反馈。

小小的穿戴设备设计精巧地贴合于皮肤表面,可随时随地实现微量汗液中电解质离子的检测,成为当今健康科技的“保护侠”。

全集成多路腕表:

医疗健康检测的“预报灯”

汗液离子传感芯片的核心部件是固体接触层,其稳定性关乎传感器的应用效果和使用寿命,是长期可靠运行的关键。

黄行九强调“聚焦电位传感芯片的核心模块,提高汗液传感器稳定性能,保障传感界面的稳定性。只有传感芯片稳了,才能测得准、用得久,这是长期可靠监测的硬指标。”

因此,如何设计一个高稳定的固体接触界面,同时开发全集成多模块汗液离子传感器,对于多种离子的实时稳定监测极为重要。

黄行九等人研发的全集成多路腕表包含高稳定的固体接触层、可批量化生产的传感器阵列、新型汗液微流通道、高效信号转换与处理系统,以及直观的数据可视化界面,能够精确识别与监测汗液中的钾、钠、钙等关键电解质离子,为人体健康监测提供实时分析和预警。

值得一提的是,该腕表即使在存放半年后,仍能够保持对人体汗液中钾、钠、钙离子的精准监测,长期可用性远超其他多种传感芯片。

黄行九介绍,“这项研究深刻融入了材料设计、界面机理研究、传感器芯片量产、模块化完全集成等多方面的综合考量,为推动多种技术融合的可穿戴电化学汗液传感器提供了更多可能性。”

黄行九表示,未来,汗液传感器的研发将融合材料科学、化学、生物学、医学、电子工程与微纳制造等多学科技术,使得汗液监测更加精确、全面和深入,让人们能够更加方便、快捷地获取身体的健康信息,为人们的生活带来更多的便利和安心。

相关论文信息:https://doi.org/10.1021/acsnano.3c13035

 
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