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纺织生物化学传感器:眼泪、汗液、唾液也能成为传感器生物源!

发表时间:2020/11/13

纺织生物化学传感器有一个活性面,它在分子水平上与样品反应或相互作用,例如通过使用固定受体选择性地结合特定的目标物种,换能器将信号转换成电学或光学响应,产生可观察和定量的信号。


眼泪

眼泪是一种重要的非侵入性传感器生物源,它含有的成分大多是由血液产生的。目前该领域的大部分研究都是使用泪液葡萄糖水平作为血糖指标,致力于开发具有实时监测糖尿病患者血糖的微型化可穿戴设备。最近,将葡萄糖生物传感器集成到隐形眼镜已经被几个研究小组证实,然而泪液中的葡萄糖含量非常低(0.1 ~0.6 mmol),需要传感器具有很高的灵敏度才能从预期的化学反应中提取信号。

除葡萄糖外,乳酸是人体重要的代谢物,在低氧条件下可转化为L-乳酸。泪液中的L-乳酸水平约为 1 ~5 mmol/L,由于某些健康状况,包括缺血、组织氧合不足、中风和不同类型的癌症,其水平可能会显著升高。THOMAS等通过集成一个纤维传感器的聚合物隐形眼镜原位测量人类眼泪中的乳酸。乳酸浓度与身体压力直接相关,基于纤维的传感器也能够应用于测量这种羧酸的浓度和心脏的活动。


汗液

在所有体液中,汗水是纺织服装最容易接触到的。作为最容易获得的人体生物体液之一,通过监测汗液电解质浓度可以获得大量关于人体及其物理性能的信息,白天和夜间的出汗模式分析可能有助于监测糖尿病和高水症患者各项指标。

利用汗液进行生理参数监测的可穿戴传感器有两种类型:柔性塑料面料或表皮面料。使用织物贴片来测量汗液pH值、钠和温度,以及利用纺织湿度传感器测量出汗率。BIOTEX项目中汗水收集使用了锦纶/氨纶复合织物,其设计了一种用于排汗的被动泵送机制,从而将排汗传送到由两个织物电极构成的电容式传感器,随着汗液在电容器之间的渗透,根据电容变化测量的湿度梯度来估计出汗率。JIA等提出了一种新型的导电线纺织传感器,可以嵌入人衣服上的不同位置,通过电阻的改变测量汗液量。


在BIOTEX项目期间开发的出汗率传感器

汗液监测用导电线纺织传感器结构


唾液

唾液是一种从血液中渗透出的由多种化学物质组成的复杂液体。唾液中存在的生物化学物质可提供情绪、激素、营养代谢状况、pH值、氟化物酸度等在线监测。MALON等描述了一种测定唾液样品中乳酸浓度的方法,其使用一种简单和低成本的棉织物基电化学装置,即把乳酸氧化酶在反应区用一种简单的包埋法固定化。YAO等采用丝网印刷技术,在一块亲水的棉布上制造碳电极和电化学室,将乳酸氧化酶固定在工作电极上进行唾液中乳酸测定,而以布为基础的电化学发光信号则通过一部智能手机读出。MANNOOR等开发了一种由石墨烯层打印在水溶性丝绸上制成的混合生物传感器,用于通过体液(包括汗液和唾液)对细菌进行无创检测。这种石墨烯/蚕丝混合装置显示出对体液中细菌极高的敏感性,检测限为单个细菌。此外,该装置通过射频为潜在用户提供无电池操作和无线通信系统。


基于面纱微流体通道的乙酰氨基酚(ACT)和双氯芬酸(DCF)检测系统


带pH传感器的伤口敷料


其他杂项生化信号

除了电解质和代谢物,最近的出版物报道了用于其他目标的表皮化学传感器,如重金属、咖啡因(一种用于药物检测的模型分析物)、汗液中的皮质醇、用于监测伤口愈合的化学标记、乙酰氨基酚和皮肤中的黑色素。下图为用棉线的毛细管力建造的微流体通道,采用多脉冲安培法同时测定对乙酰氨基酚(ACT)和双氯芬酸(DCF)。另一个有前景的方向是通过检测相关标记物(如pH值、尿酸)来实时监测伤口愈合。这类传感器主要是在纺织品中掺杂比色指标,即颜色随化学物质的变化而变化,研究最多的是对酸或碱的反应。


更多内容,请关注《纺织导报》2020年第10期“智能医用传感纺织品的研究现状”一文。