当前，穿戴式传感器能够实时监测生理信号，为个人健康状态提供无创的持续评估。然而，大多数多功能传感器在同步监测生物化学和生物物理信号时，依赖于独立的传感单元，导致装置结构复杂、信号处理困难、系统集成度低。在众多的生物体液中，汗液因其包含多种代谢产物和电解质信息，被认为是最适合用于穿戴式传感的对象之一。汗液中的钠离子浓度可以反映电解质平衡和体内渗透压调节，脉搏则可揭示心血管健康状况。因此，开发能够同时检测汗液钠离子浓度和脉搏的传感器，对于全面评估个人健康具有重要意义。
东南大学数字医学工程全国重点实验室/生物科学与医学工程学院POCT课题组刘宏研究员与马标博士在国际著名学术期刊《Soft Science》在线发表标题为”A dual-mode wearable sensor with coupled ion and pressure sensing”的最新研究成果。通过在经典的固态离子选择性电极中引入水凝胶传感界面，构建了一种可同时检测人体脉搏（物理信号）和汗液钠离子浓度（化学信号）的可穿戴双模传感器。水凝胶界面不仅可以实现人体静息状态下微量汗液的收集，而且其具有的离子压电效应可以实现对压力的感知。其中，水凝胶的离子压电效应是由于凝胶中阴离子和阳离子迁移率不同，导致离子梯度的形成，从而产生电压信号。此外，水凝胶离子压电效应产生的信号输出和汗液中钠离子引起的信号变化都是开路电位变化，无需额外复杂的信号处理即可实现对这两种生理信号的同步测量。实验结果表明，腕处脉搏产生的周期性电位变化较小，其对于钠离子选择性电极对离子的响应是噪声级的，因此，可以从单一的电位信号中解析出脉搏波和汗液钠离子浓度这两个重要的人体生理信息。
图1双模可穿戴传感器示意图。（a）可穿戴传感器概念图。（b）双模传感器的结构和工作原理示意图。（c）监测汗液Na+时的电位变化（i），监测脉搏时的电位变化（ii），同时监测汗液Na+和脉搏的电位变化（iii）。
图2双模传感器监测水凝胶中的Na+浓度。（a）Na+选择电极开路电位随水凝胶中NaCl浓度的变化。（b）开路电位与Na+浓度的对数呈线性相关。（c）在水凝胶上滴加NaCl溶液，开路电位的变化。
图3双模传感器的离子压电效应表征。（a）水凝胶压电效应的工作原理示意图。（b）压力循环测试。（c）电位变化与压力呈线性相关。（d）监测手腕处脉搏。（e）相同压力下，电位变化随水凝胶中NaCl浓度的变化。（f）周期性给水凝胶施压并滴加NaCl溶液过程中的电位变化。
图4双模传感器实现静息状态下汗液钠离子浓度和脉搏的同时监测。
文章链接: http://dx.doi.org/10.20517/ss.2023.41
