如今，可穿戴醫療保健系統在疾病預測和診斷中發揮著重要作用。其中，汗液分析已經引起了學術界和工業界的極大關注，因為汗液中含有豐富的身體分泌物，能夠反饋必要的健康信息，并且與其他體液相比更容易收集。目前常見的汗液收集方法包括使用吸水材料、超疏水/超親水表面、導汗器、表皮微流體等。然而，這些方法在汗液收集過程中會不可避免地引入環境污染。因此，直接在表皮以液滴方式收集和驅動汗液是減少與環境不必要接觸的有效途徑。

基于此，蘇州大學陳立國教授、黃海波副教授、文震副研究員等人報道了一種基于電介質電潤濕（EWOD）設備和摩擦納米發電機（TENG）的可穿戴人體汗液監測平臺（WSMP）。該平臺可通過介電潤濕效應在不同的腔室中收集和傳輸汗液滴，并使其與pH指示劑合并及反應。TENG產生的高壓電場可以使電解質液滴的接觸角在摩擦電壓為5kV時變化超過30%，通過改變固液界面的潤濕性，實現對液滴運動的控制。最后，研究人員將可穿戴WSMP進行應用演示，實現了對人體汗液pH值的初步檢測。該研究以題為“A Wearable Electrowetting on Dielectrics Sensor for Real-Time Human Sweat Monitor by Triboelectric Field Regulation”的論文發表在《Advanced Functional Materials》上。

具體而言，WSMP由作為汗液主要檢測元件的EWOD裝置和作為電壓源的TENG組成。制成鞋墊的TENG可以通過收集人體運動能量為EWOD中的汗滴驅動提供高壓電場。當人們行走或運動時，TENG的兩個電極會感應并轉移相反極性的交變電荷。TENG中，鋁箔和氟化乙烯丙烯薄膜為頂板和底板的摩擦層，多孔聚氨酯作為基材。夾層結構的EWOD設備頂部和底部為涂有疏水材料的ITO電極，中間為電潤濕介電層。該EWOD設備柔性且透明，便于佩戴和觀察，可貼在小腿或腳踝的表皮上，其上電極分別與TENG上下摩擦層的鋁箔相連接。當汗液流向EWOD裝置的邊緣時，TENG產生的高電壓施加到電極上，電極上汗液滴的接觸角減小，導致向內的總表面張力。因此，汗滴能夠順利流入EWOD裝置的腔室，并且pH指示劑沿相反方向移動并與汗滴反應，實現汗滴的pH檢測。

圖1 WSMP的結構和工作原理

而液滴在介電潤濕效應作用下運動的原理是接觸角隨外加電壓的變化而變化。當EWOD裝置中兩塊板之間形成摩擦電場時，液滴的接觸角減小。在交流循環期間，液滴接觸角的變化可以通過不斷變化方向的電場導致液滴中不同極性的離子周期性吸附來解釋。為了研究TENG的輸出對介質潤濕的影響，研究人員展示了接觸角的變化過程。當TENG周期性接觸和分離產生電勢時，液滴會反復振動，而Teflon疏水層上的接觸角滯后約為7°，因此摩擦電場的驅動力足以移動具有不同溶解物質的液滴。此外，研究人員在EWOD裝置中實現了液滴的移動和合并。液滴分布在中間電極的兩側，當中間電極通電時，兩側的液滴同時相對移動，然后合并進行微反應。

圖2 摩擦電場產生EWOD效應的原理

圖3 液滴在由摩擦電場驅動的EWOD設備中移動

最后，研究人員展示了一種穿戴在小腿上的WSMP裝置，可通過汗液和pH指示劑的顏色反應來測試pH值。集成在運動鞋鞋墊中的TENG連接到EWOD設備，為驅動汗滴提供摩擦電場，人體運動的機械能是TENG發電的主要來源。反應部分為平行板結構，可有效避免污染。當汗滴位于單極板和雙極板的過渡區時會卡住，然后電極被TENG通電，使得液滴在腔室中流動，隨后液滴進入腔室并與pH指示劑反應。研究人員通過具有RGB特征的普通最小二乘法用于準確反映從佩戴者檢測到的pH值。根據擬合方程，提取和分析反應后的汗液顏色，然后將數據傳輸至移動APP中，實現實時汗液監測。研究人員使用WSMP對三名健康志愿者進行了穿戴實驗，結果表明，三名志愿者的汗液pH值分別為6.57、6.80和7.01。

圖4 穿戴在小腿上的WSMP演示，用于實時汗水監測

綜上所述，研究人員設計了一種基于接觸分離式TENG和柔性EWOD設備的可穿戴人體汗液監測平臺，以探索主動高效地檢測汗液從而反映人體健康狀況。汗滴可以通過接觸分離TENG提供的靜電場來控制。該WSMP能與手機集成，具有自供電、低污染、主動控制等優點。通過穿戴該WAMP，研究人員成功實現了人體汗液的pH值監測。這項工作在實現集成度高的復雜檢測系統方面具有巨大潛力，在可穿戴傳感器領域具有巨大的應用前景，可用于多參數的并行測量。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202204525

審核編輯 ：李倩