关键词：非侵入式健康监测、柔性汗液传感器、薄膜基底、纺织基底
研究背景
随着人们对健康状况的日益关注和柔性传感器的性能提升，柔性汗液传感器成为了人们重点关注、讨论和研究的内容。这是因为汗液中蕴含电解质、代谢物、重金属、摄取物在内的多种成分，在无痛无损的情况下就可以获得并监测。同时，汗液可以使用包括电化学、比色等方式在内的多种类型传感器进行监测。这些类型的传感器可以覆盖高选择性、高精度、不同成本范围和不同应用环境，为柔性汗液传感器在运动和静息、治疗和预防、疾病和保健等多种条件和目的下提供了充足的备选。作为传感器最终形态的决定性因素，基底材质及形态决定了传感器被集成和佩戴的位置。传统的薄膜传感器常被做成贴片或者腕带形式，以实现日常的佩戴。但随着需求的改变，薄膜基底的传感器所具有的不透气、需要额外佩戴等对皮肤造成负担的缺点日益突出。而将传感器制作在纺织基尤其是纱线基上成为了解决这一问题的主要思路之一。纱线基传感器极易与服装相集成，无论是编织还是针织方式都可以将传感器变成服装自然的一部分，不增加该区域皮肤表面的封闭性，不影响使用者的正常工作生活。集成的位置可随监测需要改变，只要穿着了服装即是佩戴了传感器，更适应长期连续性健康监测的使用目的。在纺织基或纤维状的柔性电子当中，发电或储能、发光器件已经获得了相对广泛的研究与应用。在传感器方面，由于纤维形状本身的形变自由度高，因此各种应力应变传感器也得到了相应的研究。对于汗液为主的化学/生物传感器则受到关注较少。但服装作为人体汗液现有最大的收集装置，如果能将传感器合理地与服装相结合，将会极大利用现有条件推动传感器的舒适性、便携性和无感性。
研究成果
柔性汗液传感器在长期佩戴、跟踪和实时监测人体健康方面已经发现了广泛的潜在应用。目前对柔性汗液传感器的研究综述主要集中在对某单一被测物的发展方向进行总结，以及从采样、监测原理和工艺材料等方面对汗液传感器进行分析。目前还没有对薄膜传感器和纺织传感器的性能、集成方法和位置进行具体的讨论和研究。基于此，天津工业大学纺织科学与工程学院刘皓教授、何崟副教授团队从监测方式入手，将柔性汗液传感器常使用的电位法、伏安法、电流法、电化学阻抗谱法、比色法、表面增强拉曼散射按照电化学和光学方法进行了分类。主要对基于薄膜和基于纤维/纱线等纺织基材的电化学传感器和比色传感器的性能和特点进行了对比和分析（图1），分析了影响传感器性能的主要因素。总结对比分析了薄膜和纤维传感器的性能，从监测方法的类型入手对汗液传感器的研究进展进行了详细的综述。最后，通过对传感器与人体监测点集成方法的总结，提出了柔性汗液传感器发展的机遇和建议。为纤维/纱线传感器的发展提供思路和建议。
图1 薄膜基底与织物基底汗液传感器：电化学和光学传感器及其人体常见佩戴位置
总结与展望
总的来说，正是因为工艺、材料、成本、监测原理都不尽相同的这些监测方法，让汗液这一普通的代谢体液分发挥了它在健康监测领域的作用，柔性汗液传感器也成为了现今无损健康监测类的大热研究方向。就目前研究现状而言，柔性汗液传感器通常被制作在高聚物等膜贴片上。其中纹身贴纸等超薄薄膜，由于具有自粘附性，因此与皮肤贴合效果最好。其他薄膜都依赖粘附涂层、以PDMS为主的硅胶带或松紧带/医用胶带等织物带与人体进行捆绑佩戴集成，从而确保传感器完整贴服于皮肤表面。但服装作为人类日常生活必不可少又自然吸收汗液的物品，汗液传感器与服装有效集成将极大促进通过汗液长时间连续性健康监测的发展。因此如何合理利用服装，增加传感器的舒适性、无存在感性是柔性汗液传感器发展的必然思路之一。现有柔性汗液传感器纺织/纱线形貌化的主要挑战如下：
汗水很容易蒸发。服装或纱线增加了传感器的透气性和舒适性，但同时也会造成汗液流失，影响监测性能。
纱线传感器的形变方式、程度都较薄膜而言更大，对纱线电极在反复、多种形变下的电稳定性提出了挑战
电极与服装、皮肤之间不得不发生相对摩擦，其会造成电极表面的磨损
频繁、反复接触汗液容易造成的电极腐蚀或氧化。
如通过编织、机织等纺织工艺将传感器做成服装无法拆卸的一部分，那么对于传感器的耐水洗性能就势必要做出要求。
以上困难中，第一点可以在响应提高传感器的响应时间和灵敏度的情况下，综合运用从纤维到织物这一1D（纤维）到2D（单层织物）甚至扩充到3D（多层织物）的结构思路，可以有效地控制区域亲水性。与如Janus膜这类具有单向导湿功能的结构相结合，可以达到更有效地利用和收集汗液的目的，以尽可能低的液体量进行监测。从本文总结表格中可以看出，常见对于薄膜柔性汗液传感器的柔性稳定性测试主要使用基于固定半径或角度的循环弯折。比起刚性传感器来说，这种程度的形变已经能适应更多使用环境。但对于人体皮肤表面这种多形貌的不规则表面来说，仅平面弯折是不能满足需求的。因此在已现有柔性表征的纱线传感器当中，SEBS被重点用于表征其强大的拉伸稳定性，这有利于其被集成到服装当中进行进一步应用。
比起其他如纱线电池、纱线应变传感器等其他纱线状柔性电子器件，纱线状汗液传感器不能被完整封装，因为电极头部必须能够接触到汗液才能进行监测。而另一方面汗液本身是许多电子皮肤、柔性传感器等需要解决的重大干扰因素，因为汗液会造成电极的氧化腐蚀，减少使用寿命。因此如何及时清洁、保养纤维汗液传感器也是需要关注的部分。
表1 薄膜基底和纺织基底的汗液传感器的比较
本文从监测方式入手，列举并对比了以电化学、比色为主的基于薄膜和纤维/纱线等纺织基材下制备的柔性汗液传感器研究现状。针对具体电化学手段举例说明了基底材质对传感器性能并不具有决定性影响，并列举了一些可以增强电极性能的方式。因此未来可以继续探索纤维/纱线基底电化学传感器的制作材料、工艺，以及合适的被集成位置、方式等内容，为纤维/纱线基底的健康监测柔性电化学传感器发展、纤维基底的柔性电子发展提供了参考和建议。
相关工作以“Flexible sweat sensors: from films to textiles”为题发表在《ACS Sensors》上（DOI: 10.1021/acssensors.2c02642）， 文章第一作者为博士研究生罗丹，通讯作者为刘皓教授、何崟副教授。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.2c02642
本文通讯作者刘皓，是纺织科学与工程学院教授，智能可穿戴研究所所长。他长期致力于将传感器与纺织服装相集成，在智能服装、智能可穿戴方面有突出贡献。在智能控温服装服饰方面，他的团队研发的产品在2022北京冬奥会越野滑雪队、中国北欧两项队、中国自由式滑雪大跳台及坡面障碍技巧队、中国单板滑雪U型场地队、中国空中技巧队共5个类别运动队进行应用示范。在干电极方面，在国自然基金的资助下，他以通讯作者身份参与研究了AAO模板制作的规整纳米柱、纳米锥、互锁结构、仿壁虎脚结构，叠层模板法制作的仿苍耳子结构。
该团队主要关注柔性传感器、柔性电子、智能服装等领域，在生物电干电极、柔性多功能传感器、柔性离子力学传感器等方面发表高水平论文如下：
Niu X., Wang L. Z., Li H., Wang T. Y. , Liu H.*, He Y.. Fructus Xanthii-Inspired Low Dynamic Noise Dry Bioelectrodes for Surface Monitoring of ECG[J], ACS Applied Materials & Interfaces. 2022, 14 (4), 6028–6038
Niu X,. Gao X. H,. Wang T. Y. , Wang W,. Liu H.*. Ordered Nanopillar Arrays of Low Dynamic Noise Dry Bioelectrodes for Electrocardiogram Surface Monitoring[J], ACS Applied Materials & Interfaces. 2022, 14 (29), 33861–33870.
He Y., Wu J.X., Xiao S., Liu H.*, Zhou P., Ionic flexible force sensors and their potential applications[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2021,
Lu Y.W. #, He Y. #, Qiao J.T., Niu X., Li X.J., Liu H. *, Liu L.*. Highly Sensitive Interlocked Piezoresistive Sensors Based on Ultrathin Ordered Nanocone Array Films and Their Sensitivity Simulation[J]. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 55169−55180.
He Y., Zhao L.D., Zhang J.L., Liu L.Y., Liu H.*, Liu L.*. A breathable, sensitive and wearable piezoresistive sensor based on hierarchical micro-porous PU@CNT films for long-term health monitoring[J]. Composites Science and Technology, 2020, 200(11), 108419
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