基于液态金属的微型柔性织物电化学检测系统

可穿戴设备集成电化学传感平台在生物医学应用中具有广阔的前景。然而，传统的电化学平台通常构建于印刷电路板（PCB），在柔韧性和透气性方面都比较差，并且缺乏延展性。而室温下的液态金属具有出色的流动性和导电性，在柔性电子产品领域显示出良好的应用前景。

据麦姆斯咨询报道，北京航空航天大学和清华大学的科研团队开发出一种基于液态金属的微型柔性织物电化学检测系统，该系统具有柔韧性强、透气性好、可贴合人体的特点。该科研团队利用液态金属优异的流动性和导电性，制造出双层电路，显著缩小了整个系统的尺寸。通过电阻、稳定性、图像表征和铁氰化钾测试，验证了该系统的线性响应、时间稳定性和可重复性。该系统可以检测到汗液中毫摩尔水平的葡萄糖，在生物医学领域的可穿戴和便携式检测方面（例如健康监测和即时检测等）显示出巨大的潜力。

 

基于液态金属的织物电化学传感器系统设计及其原理图

目前，柔性可穿戴电化学传感系统的研究已取得了初步进展。关于可穿戴生物传感器此前已经发表过相关研究，这些可穿戴生物传感器采用便携式甚至可穿戴的检测系统，采用像氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SEBS）、聚酰亚胺（PI）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚四氟乙烯（PTFE）等柔性基板。虽然它们具有出色的弯曲和拉伸能力，但其较差的透气性致使在佩戴时给皮肤造成一定的负担，甚至可能引起皮肤炎症。因此，可穿戴设备的舒适性受到很大限制。

织物是一种常见的亲肤材料。通过在织物上印刷制备的生物传感器可以与皮肤直接接触，同时增强了透气性，提高了舒适度。现有的基于织物的生物传感器已用于检测葡萄糖、pH、乳酸和尿酸等生物信号。这些研究通过在织物上实现导电电路，验证并应用了生物传感器的功能。然而，使用普通的电子墨水，如用于印刷的纳米铜、纳米银、纳米金和石墨墨水，直接在织物上制造复杂电路仍然具有挑战性。这主要是由于交叉电路需要多层互连，这在使用这些导电油墨的织物上很难实现。
 

柔性织物电路的制造工艺

在这项研究中，为了克服这些挑战，研究人员使用室温下的液态金属镓铟锡合金（Galinstan，68.5%的镓、21.5%的铟和10%的锡）作为导体在织物上制造电化学传感系统。由于其具有良好的流动性和导电性，镓铟锡合金已成为柔性电子领域中柔性导体的重要候选材料。此外，出色的流动性允许自我修复，具有较强的延展性，这是柔性和可拉伸电子器件非常理想的材料。因此，研究人员将所有电路通过液态金属印刷在两层织物上以实现这种电化学传感系统。
 

柔性织物电路的表征

通常，液态金属成型的方法很复杂。例如，微通道喷射需要真空抽吸设备，雾化喷涂需要喷枪，3D打印需要一系列相关的打印设备。一些研究需要对液态金属材料进行预处理，以使其具有粘性，从而降低后续成型步骤中的流动性。此外，杂质也会影响液态金属的导电性。该研究中，科研人员利用聚甲基丙烯酸酯（PMA）将没有杂质的液态金属印花在织物上，无需额外的设备和复杂的预处理。胶水增强了金属与织物之间的附着力，提高了电路的稳定性，整个织物基板的电路具有良好的透气性。此外，制造工艺方便、快捷、人性化。这种基于液态金属的织物电化学传感系统通过开发一种基于液态金属的双层电路，集成了信号采集和信号处理的功能。

该系统主要由以下部分组成：基于液态金属的柔性织物检测电路、笔记本电脑上的控制软件和可更换电极。该系统可以实现0~3 V范围内的恒压电路进行电化学检测，并将获得的数据传输到笔记本电脑的软件中。传感部分使用商用电极。该电化学传感系统的功能通过铁氰化钾测试得到验证。此外，人体汗液中葡萄糖的检测是在毫摩尔水平上实现的，这表明其在可穿戴电化学传感中的应用潜力很大。
 

用于葡萄糖检测的织物电化学传感器系统的测试情况

 

综上所述，科研人员通过使用液态金属制造两层电路，引入了一种基于织物的微型电化学传感系统，并实现了电化学传感。由于液态金属的流动性和织物的透气性，这种紧凑的电化学系统为可穿戴传感设备提供了极大的舒适性和便携性。可实现0~3 V范围内的恒压电路，以用于葡萄糖浓度检测。该系统的性能通过铁氰化物测试得到验证。此外，在人体汗液的干扰下检测到了毫摩尔水平的葡萄糖，进一步证明了其灵敏度和稳定性。最重要的是，这种可穿戴且紧凑的织物电化学系统在健康监测、家庭诊断和治疗、移动医疗和即时检测方面具有很大的应用潜力。

论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41378-022-00365-3

审核编辑 ：李倩