基于电介质电润湿设备和摩擦纳米发电机的可穿戴人体汗液监测平台

如今，可穿戴医疗保健系统在疾病预测和诊断中发挥着重要作用。其中，汗液分析已经引起了学术界和工业界的极大关注，因为汗液中含有丰富的身体分泌物，能够反馈必要的健康信息，并且与其他体液相比更容易收集。目前常见的汗液收集方法包括使用吸水材料、超疏水/超亲水表面、导汗器、表皮微流体等。然而，这些方法在汗液收集过程中会不可避免地引入环境污染。因此，直接在表皮以液滴方式收集和驱动汗液是减少与环境不必要接触的有效途径。

基于此，苏州大学陈立国教授、黄海波副教授、文震副研究员等人报道了一种基于电介质电润湿（EWOD）设备和摩擦纳米发电机（TENG）的可穿戴人体汗液监测平台（WSMP）。该平台可通过介电润湿效应在不同的腔室中收集和传输汗液滴，并使其与pH指示剂合并及反应。TENG产生的高压电场可以使电解质液滴的接触角在摩擦电压为5kV时变化超过30%，通过改变固液界面的润湿性，实现对液滴运动的控制。最后，研究人员将可穿戴WSMP进行应用演示，实现了对人体汗液pH值的初步检测。该研究以题为“A Wearable Electrowetting on Dielectrics Sensor for Real-Time Human Sweat Monitor by Triboelectric Field Regulation”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

具体而言，WSMP由作为汗液主要检测元件的EWOD装置和作为电压源的TENG组成。制成鞋垫的TENG可以通过收集人体运动能量为EWOD中的汗滴驱动提供高压电场。当人们行走或运动时，TENG的两个电极会感应并转移相反极性的交变电荷。TENG中，铝箔和氟化乙烯丙烯薄膜为顶板和底板的摩擦层，多孔聚氨酯作为基材。夹层结构的EWOD设备顶部和底部为涂有疏水材料的ITO电极，中间为电润湿介电层。该EWOD设备柔性且透明，便于佩戴和观察，可贴在小腿或脚踝的表皮上，其上电极分别与TENG上下摩擦层的铝箔相连接。当汗液流向EWOD装置的边缘时，TENG产生的高电压施加到电极上，电极上汗液滴的接触角减小，导致向内的总表面张力。因此，汗滴能够顺利流入EWOD装置的腔室，并且pH指示剂沿相反方向移动并与汗滴反应，实现汗滴的pH检测。

图1 WSMP的结构和工作原理

而液滴在介电润湿效应作用下运动的原理是接触角随外加电压的变化而变化。当EWOD装置中两块板之间形成摩擦电场时，液滴的接触角减小。在交流循环期间，液滴接触角的变化可以通过不断变化方向的电场导致液滴中不同极性的离子周期性吸附来解释。为了研究TENG的输出对介质润湿的影响，研究人员展示了接触角的变化过程。当TENG周期性接触和分离产生电势时，液滴会反复振动，而Teflon疏水层上的接触角滞后约为7°，因此摩擦电场的驱动力足以移动具有不同溶解物质的液滴。此外，研究人员在EWOD装置中实现了液滴的移动和合并。液滴分布在中间电极的两侧，当中间电极通电时，两侧的液滴同时相对移动，然后合并进行微反应。

图2 摩擦电场产生EWOD效应的原理

图3 液滴在由摩擦电场驱动的EWOD设备中移动

最后，研究人员展示了一种穿戴在小腿上的WSMP装置，可通过汗液和pH指示剂的颜色反应来测试pH值。集成在运动鞋鞋垫中的TENG连接到EWOD设备，为驱动汗滴提供摩擦电场，人体运动的机械能是TENG发电的主要来源。反应部分为平行板结构，可有效避免污染。当汗滴位于单极板和双极板的过渡区时会卡住，然后电极被TENG通电，使得液滴在腔室中流动，随后液滴进入腔室并与pH指示剂反应。研究人员通过具有RGB特征的普通最小二乘法用于准确反映从佩戴者检测到的pH值。根据拟合方程，提取和分析反应后的汗液颜色，然后将数据传输至移动APP中，实现实时汗液监测。研究人员使用WSMP对三名健康志愿者进行了穿戴实验，结果表明，三名志愿者的汗液pH值分别为6.57、6.80和7.01。

图4 穿戴在小腿上的WSMP演示，用于实时汗水监测

综上所述，研究人员设计了一种基于接触分离式TENG和柔性EWOD设备的可穿戴人体汗液监测平台，以探索主动高效地检测汗液从而反映人体健康状况。汗滴可以通过接触分离TENG提供的静电场来控制。该WSMP能与手机集成，具有自供电、低污染、主动控制等优点。通过穿戴该WAMP，研究人员成功实现了人体汗液的pH值监测。这项工作在实现集成度高的复杂检测系统方面具有巨大潜力，在可穿戴传感器领域具有巨大的应用前景，可用于多参数的并行测量。

论文链接：

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

审核编辑 ：李倩