近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院感知学院王侃副研究员团队的研究论文“Finger-actuated wireless-charging wearable multifunctional sweat-sensing system for levodopa and vitamin C”（ 用于左旋多巴和维生素C检测的手指驱动泵式无线充电可穿戴式多功能汗液感应系统）在期刊《Nano Research》上发表。该研究以实现人体汗液及体温多功能无创检测为目的，设计开发了一个自泵式柔性可穿戴传感系统。通过一系列优化研究和在体实验，实现人体汗液中左旋多巴、维生素C及体温的快速检测和分析，具有重要应用前景。


手指驱动泵式无线充电可穿戴式多功能汗液感应系统示意图

研究背景

汗液中除了包含常见的葡萄糖等代谢物及离子化合物之外，还存在一些摄入的药物分子与营养物质等重要成分。目前，可穿戴汗液传感器正面临着酶修饰不稳定、采样效率低下、系统供电焦虑等挑战。因此通过所设计的系统（基于MOF功能材料的修饰、集成自驱动泵和阀门的微流控芯片、集成无线充电功能）能对汗液中的重要生物标志物进行定量分析，进而为人体健康状况和营养状况的评估提供重要参考价值。

创新成果

可穿戴传感系统主要包括微流体通道、吸收垫、电化学传感电极、粘贴层（医用胶带）、柔性印刷电路板和智能手机APP六个部分。研究人员设计了集成自驱动泵和防回流特斯拉阀的柔性微流控芯片，用于采集与运输人体皮肤表面的汗液至电化学传感电极层，具有采样效率高、防样本逆流、无需外置驱动泵等优点。吸收垫用于聚集储液室内的汗液。基于金属有机框架（Metal Organic Framework，MOF）材料制备了电化学传感电极，使得传感器酶的稳定性提高，且传感器电化学响应提高。团队设计和制作了具有无线充电和无线数据传输功能的小体积柔性印刷电路板，其在满足了检测者的功能需求的同时具备了可穿戴的便利性。此外，所开发的智能手机APP代替了电化学工作站所配备的电脑上位机，这种方式不仅更加便利，还能更好地满足用户个性化管理需求。


 (a) 手指驱动泵式微流体芯片示意图。(b) 左旋多巴传感器和维生素 C 传感器原理图 (c) ZIF-8/GO 的扫描电镜图像。(d)ZIF-8/GO包覆酪氨酸酶的扫描电镜图像

通过手指按压就可以方便地获取新鲜汗液，也可以按需排出旧的多余汗液。相比于商用电化学工作站，自主开发的无线充电柔性传感系统在保证与之相当的检测性能的同时有着便携性强、成本低、易操作等优势。经离体实验和在体实验结果验证，所开发的系统能较好地实现对汗液中的目标分析物的定量检测。


 (a) 在体实验示意图，(b) 五名志愿者餐后汗液中左旋多巴浓度的变化，(c)五名志愿者餐后汗液中维生素C浓度的变化

论文信息

上海交通大学电子信息与电气工程学院硕士生宁齐红和第九人民医院冯少清副主任医师为论文的共同第一作者，王侃副研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（32171373）和上海交通大学医工交叉学科项目（YG2021QN141）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s12274-023-6197-6

期刊信息

《Nano Research》（《纳米研究》）是一本国际化、多学科交叉的专业学术期刊，主要刊登纳米研究领域的高质量、原创性的研究论文和综述文章，内容涉及纳米科技研究领域的各个方面。2007年由清华大学出版社创办，2008年正式出刊，创刊一年半即被SCI收录，期刊影响因子稳步上升，目前有近20个数据库收录该刊。自2010年1月被SCI收录后，期刊影响因子在2023年达到9.9，在中科院分区材料科学中处于Q1区，WOS分区等级为Q1区。