一种用于汗液多靶标按需检测的可穿戴微流控平台

可穿戴式汗液生物传感器具有样本采集方便、生理相关性强、无创纵向监测人体等特点。然而，要将这一领域发展到真正能够代表“皮肤上的实验室”技术的水平，需要整合先进的功能，让用户可以自由地选择进行监测的时间，并且能够挑选设备中嵌入的传感器，以进行特定条件的样本分析。  

近期，美国北卡罗来纳州立大学的Amay J. Bandodkar教授团队提出了一种具备以上这些功能的可穿戴微流控平台，通过在微流控结构中集成手指驱动泵、阀门和传感器，实现了按需、纵向的汗液分析。

微流控结构的基本原理

该可穿戴系统由软光刻加工而成的柔性有机硅弹性体组成，其机械性能与皮肤相似（图1A）。该装置依赖于巧妙设计的被动毛细终止阀（CBVs）和手指驱动气动泵，实现先进的汗液采集控制。如图1B所示，该装置的入口室通过微流道和CBVs连接到四个独立的传感室。每个传感室进而连接到一个手指驱动的吸入泵。汗液通过入口进入装置，直到到达CBVs。

此时，CBVs的突破压力高于生理汗液压力，因此汗液不能流到CBVs以外（阀门处于“关闭”状态）。当用户拉动拉扣激活泵时（图1C），产生的气动吸力会打开相应的CBV，并让在入口室收集的汗液流入对应的传感室进行按需分析（图1E）。

图1 可穿戴微流体贴片用于按需、纵向和多分析物汗液监测

手指驱动气动泵的优化设计

气动泵由一个带有塌陷的硅胶薄膜顶的空腔组成。向上拉硅胶薄膜顶部粘贴的纸质拉扣，通道内产生驱动压差，将汗液从入口室输送到传感室。该研究中均采用空腔高度为200μm的气动泵，因为这个高度最大限度地降低了由于泵的意外挤压而将采集腔内样本推出设备的风险。

此外，只有当施加在气动泵纸质拉扣上的拉力约为94mN时，样本才会从入口室完全转移到传感室，18mN以下的拉力可忽略不计。

图2 手指驱动气动泵功能研究

传感室的优化

为了提高样本在传感室中的扩散效果，传感室中加入了具有强导流特性的纤维素膜，使得样本在传感室内快速均匀的扩散，而不依赖于拉扣被拉的速率。图3展示了样本在堆叠有不同层数的膜的单通道装置的传感室内的扩散效果。采用单膜（厚度：10μm）可以明显改善汗液空间分布，但填充均匀性仍需要提高。采用两层和三层膜的装置则能更有效地泵送并均匀地分配汗液。

此外，多层膜加空腔的系统使得传感室有空间收集额外的不与膜结合的样本，并与嵌入的传感器相互作用，以获得可靠的检测结果。四层膜则阻碍了泵送机制，使相当数量的汗液滞留在入口室，而且，四层膜的传感室展现出分布不均匀的区域（左上角）。

因此，具有两层堆叠膜的系统更适合于此设备，因其促进了样本有效的泵送和均匀的分布。

图3 样本在传感室内分布的研究

样本混合及机械变形和惯性力对装置性能影响的研究

研究人员还研究了前后产生的样本是否会交叉污染。使用经过校准的传感室的红色强度（R值）用于评估样本在传感室滞留的程度。

结果显示，与各自的R值基线相比，两个透明室的R值小于6%，两个红色室的R值大于95%，说明由于泵和阀的稳健性，前后产生的样本混合污染问题可以忽略。

证明CBVs即使在受到张力和惯性力情况下，也能阻止汗液流到传感室，实现了该装置的按需可穿戴传感功能（图4）。

图4 弯曲力和惯性力对装置性能的影响

人体试验

研究人员通过2天的试验，在受试者前臂内侧使用这种设备演示其在实际中的应用（图5A）。受试者每天早晚两次、连续两天在固定自行车上进行约10分钟的中等节奏骑行。在每次骑行过程中，入口室收集汗液，同时通过出口排出多余的汗液。

在每回骑行结束时，拉动拉扣激活泵，驱动收集的汗液样本流到相应的传感室，按需检测四种标志物（氯、钙、葡萄糖和pH值），测量浓度都在汗液的生理范围内（如图5B-E所示），证明该装置能够按需、跨时间轴的进行汗液采样检测。

图5 人体试验

综上，通过精心设计的手指驱动泵、阀门和传感室，这种新型无创可穿戴设备，可以对一系列汗液标志物进行无电子、按需、纵向和同步监测。同时，该研究里的概念、材料和设计原理很容易整合不同的传感器，并有助于理解汗液生物化学以及汗液监测在无创生理监测中的重要性。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acssensors.2c01669

审核编辑：刘清