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  可穿戴電化學(xué)汗液傳感器由于其能夠便捷、連續(xù)和無創(chuàng)監(jiān)測人體健康信息，在個性化護理和臨床診斷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。其中，在眾多不同類型的電化學(xué)汗液傳感器中，織物電化學(xué)汗液傳感器由于其具有優(yōu)異的柔性和長期穿戴舒適性而備受關(guān)注。為了保證織物電化學(xué)汗液傳感器的穩(wěn)定工作，必須要有足夠體積的汗液滲透到傳感區(qū)域來激活電化學(xué)傳感反應(yīng)。然而，由于汗液在織物中缺乏定向傳輸?shù)哪芰�，被吸收的汗液往往僅有一小部分能夠滲透到傳感區(qū)域，汗液捕獲效率較低。因此，織物電化學(xué)傳感器通常需要在大量出汗條件下（如劇烈運動）才能實現(xiàn)穩(wěn)定工作，這嚴重限制了它們的實際應(yīng)用。

  近日，南京大學(xué)張曄課題組將多股親水棉纖維和基于碳納米管的傳感纖維共加捻制備得到芯鞘傳感紗線，并將之刺繡到超疏水織物基底上，開發(fā)了一種新型織物電化學(xué)汗液傳感器。由于芯鞘傳感紗線與超疏水織物基底之間存在較大的親疏水差異，汗液只能被芯鞘傳感紗線捕獲，并傳輸至傳感區(qū)域，因此展現(xiàn)出了較高的汗液捕獲效率。得益于此設(shè)計，僅需0.5 μL的汗液就可以實現(xiàn)穩(wěn)定的電路連接，是迄今為止報道的織物電化學(xué)傳感器最低汗液檢測量的1/20。與此同時，芯鞘傳感紗線在彎曲、扭轉(zhuǎn)和抖動等動態(tài)變形過程中也保持了穩(wěn)定的性能。其可進一步與外置芯片等集成制作成智能運動襯衫，用于實時監(jiān)測用戶在劇烈運動狀態(tài)（如打羽毛球）和溫和出汗?fàn)顟B(tài)（如走路、吃飯）下汗液的多種化學(xué)信息(如葡萄糖、Na⁺、K⁺、pH值)。

基于芯鞘傳感紗線的織物電化學(xué)汗液傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

  芯鞘傳感紗線由多股親水棉纖維和基于碳納米管的傳感纖維組成。選用吸汗率高的多層親水棉纖維，有利于捕獲和收集皮膚上的汗水。與碳納米管傳感纖維刺繡親水織物基底所構(gòu)成的織物電化學(xué)汗液傳感器相比，基于芯鞘傳感紗線的織物電化學(xué)汗液傳感器使紗線附近的汗液富集，減少織物基底汗液的無效擴散，顯著提高汗液捕獲效率。同時，富集的汗液穩(wěn)定了傳感纖維/汗液接觸界面，有利于獲得更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確的傳感信號。

圖1. 基于芯鞘傳感紗線的織物電化學(xué)汗液傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理

基于芯鞘傳感紗線的織物電化學(xué)汗液傳感器的汗液捕獲能力

  芯鞘傳感紗線與超疏水織物基底存在顯著親疏水差異，汗液僅被芯鞘傳感紗線捕獲和富集，減少織物基底上的無效擴散，因此具有較高的汗液捕獲效率，達到75 ~ 90%。與此相反，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的織物電化學(xué)汗液傳感器對汗液的捕獲是隨機的，難以富集在特定傳感區(qū)域，捕獲效率較低，僅為10 ~28%。此外，基于芯鞘傳感紗線的織物電化學(xué)汗液傳感器最低僅需0.5 μL汗液即可實現(xiàn)電路連通。與之相對，普通的織物電化學(xué)汗液傳感器需要近250 μL汗液方可連通電路。另外，基于芯鞘傳感紗線的織物電化學(xué)汗液傳感器在彎曲、扭轉(zhuǎn)、抖動等動態(tài)變形過程中仍然保持著穩(wěn)定的電路連通。阻抗測試表明即使在彎曲5000次后，基于芯鞘傳感紗線的織物電化學(xué)汗液傳感器的電阻仍然沒有明顯變化。此外，基于芯鞘傳感紗線的織物電化學(xué)汗液傳感器在實現(xiàn)電路連通所需最低汗液量和彎曲次數(shù)方面的性能，均遠優(yōu)于目前已報道的織物電化學(xué)汗液傳感器。

圖2. 基于芯鞘傳感紗線的織物電化學(xué)汗液傳感器的汗液捕獲能力

基于芯鞘傳感紗線的織物電化學(xué)汗液傳感器的電化學(xué)性能

  芯鞘傳感紗線在葡萄糖濃度范圍為0 ~ 250 μM時，其靈敏度為39.86 nA·μM^-1；其在濃度為10 ~ 160 mM Na⁺和2 ~ 32 mM K⁺的溶液中的靈敏度分別為34.20 mV dec^-1和39.06 mV dec^-1；在pH值為4 ~ 7范圍內(nèi)，其靈敏度為55.87 mV· pH^-1。此外，芯鞘傳感紗線對葡萄糖、Na⁺、K⁺和pH均表現(xiàn)出良好的選擇性。 

圖3. 基于芯鞘傳感紗線的織物電化學(xué)汗液傳感器的電化學(xué)性能

基于芯鞘傳感紗線的織物電化學(xué)汗液傳感器的集成應(yīng)用

  基于芯鞘傳感紗線的織物電化學(xué)汗液傳感器可進一步與外置芯片等集成制作為智能運動襯衫。外置芯片實時處理芯鞘傳感紗線采集到的汗液數(shù)據(jù)，由藍牙傳輸至用戶APP，分析用戶汗液的生化指標(biāo)。在劇烈運動狀態(tài)（如打羽毛球，出汗速率為0.6 ~ 9 μL·min^-1·cm^-2），智能運動襯衫可快速穩(wěn)定的得到汗液的葡萄糖濃度、電解質(zhì)(Na⁺和K⁺)濃度以及pH值。此外，在一些溫和出汗?fàn)顟B(tài)，如行走(出汗速率為0.5 μL·min^-1·cm^-2)和吃飯(出汗速率為0.2 μL·min^-1·cm^-2)，智能運動襯衫也能檢測到穩(wěn)定信號，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖4. 基于芯鞘傳感紗線的織物電化學(xué)汗液傳感器的集成應(yīng)用

結(jié)論

  這項工作開發(fā)了一種基于芯鞘傳感紗線的織物電化學(xué)汗液傳感器，有效提升了織物電化學(xué)汗液傳感器的汗液捕獲效率，最低僅需0.5 μL的汗液即可實現(xiàn)織物電化學(xué)汗液傳感器的穩(wěn)定連通。同時，其在彎曲、扭轉(zhuǎn)、抖動等動態(tài)變形過程中均能保持穩(wěn)定。進一步將其與外置芯片等集成制作為智能運動襯衫，可同時實現(xiàn)在劇烈運動和溫和出汗?fàn)顟B(tài)下檢測汗液的多種化學(xué)信息。

  以上相關(guān)成果以A Core–Sheath Sensing Yarn-Based Electrochemical Fabric System for Powerful Sweat Capture and Stable Sensing為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士后王列和直博生盧江為該論文的共同第一作者。本工作得到了國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、江蘇省博士后科研基金、中國博士后科學(xué)基金等項目的支持。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202200922

  下載：A Core–Sheath Sensing Yarn-Based Electrochemical Fabric System for Powerful Sweat Capture and Stable Sensing