可穿戴电化学汗液传感器由于其能够便捷、连续和无创监测人体健康信息，在个性化护理和临床诊断等领域具有广阔的应用潜力。其中，在众多不同类型的电化学汗液传感器中，织物电化学汗液传感器由于其具有优异的柔性和长期穿戴舒适性而备受关注。为了保证织物电化学汗液传感器的稳定工作，必须要有足够体积的汗液渗透到传感区域来激活电化学传感反应。然而，由于汗液在织物中缺乏定向传输的能力，被吸收的汗液往往仅有一小部分能够渗透到传感区域，汗液捕获效率较低。因此，织物电化学传感器通常需要在大量出汗条件下（如剧烈运动）才能实现稳定工作，这严重限制了它们的实际应用。

  近日，南京大学张晔课题组将多股亲水棉纤维和基于碳纳米管的传感纤维共加捻制备得到芯鞘传感纱线，并将之刺绣到超疏水织物基底上，开发了一种新型织物电化学汗液传感器。由于芯鞘传感纱线与超疏水织物基底之间存在较大的亲疏水差异，汗液只能被芯鞘传感纱线捕获，并传输至传感区域，因此展现出了较高的汗液捕获效率。得益于此设计，仅需0.5 μL的汗液就可以实现稳定的电路连接，是迄今为止报道的织物电化学传感器最低汗液检测量的1/20。与此同时，芯鞘传感纱线在弯曲、扭转和抖动等动态变形过程中也保持了稳定的性能。其可进一步与外置芯片等集成制作成智能运动衬衫，用于实时监测用户在剧烈运动状态（如打羽毛球）和温和出汗状态（如走路、吃饭）下汗液的多种化学信息(如葡萄糖、Na⁺、K⁺、pH值)。

基于芯鞘传感纱线的织物电化学汗液传感器的结构和工作原理

  芯鞘传感纱线由多股亲水棉纤维和基于碳纳米管的传感纤维组成。选用吸汗率高的多层亲水棉纤维，有利于捕获和收集皮肤上的汗水。与碳纳米管传感纤维刺绣亲水织物基底所构成的织物电化学汗液传感器相比，基于芯鞘传感纱线的织物电化学汗液传感器使纱线附近的汗液富集，减少织物基底汗液的无效扩散，显著提高汗液捕获效率。同时，富集的汗液稳定了传感纤维/汗液接触界面，有利于获得更加稳定和准确的传感信号。

图1. 基于芯鞘传感纱线的织物电化学汗液传感器结构和工作原理

基于芯鞘传感纱线的织物电化学汗液传感器的汗液捕获能力

  芯鞘传感纱线与超疏水织物基底存在显著亲疏水差异，汗液仅被芯鞘传感纱线捕获和富集，减少织物基底上的无效扩散，因此具有较高的汗液捕获效率，达到75 ~ 90%。与此相反，传统结构的织物电化学汗液传感器对汗液的捕获是随机的，难以富集在特定传感区域，捕获效率较低，仅为10 ~28%。此外，基于芯鞘传感纱线的织物电化学汗液传感器最低仅需0.5 μL汗液即可实现电路连通。与之相对，普通的织物电化学汗液传感器需要近250 μL汗液方可连通电路。另外，基于芯鞘传感纱线的织物电化学汗液传感器在弯曲、扭转、抖动等动态变形过程中仍然保持着稳定的电路连通。阻抗测试表明即使在弯曲5000次后，基于芯鞘传感纱线的织物电化学汗液传感器的电阻仍然没有明显变化。此外，基于芯鞘传感纱线的织物电化学汗液传感器在实现电路连通所需最低汗液量和弯曲次数方面的性能，均远优于目前已报道的织物电化学汗液传感器。

图2. 基于芯鞘传感纱线的织物电化学汗液传感器的汗液捕获能力

基于芯鞘传感纱线的织物电化学汗液传感器的电化学性能

  芯鞘传感纱线在葡萄糖浓度范围为0 ~ 250 μM时，其灵敏度为39.86 nA·μM^-1；其在浓度为10 ~ 160 mM Na⁺和2 ~ 32 mM K⁺的溶液中的灵敏度分别为34.20 mV dec^-1和39.06 mV dec^-1；在pH值为4 ~ 7范围内，其灵敏度为55.87 mV· pH^-1。此外，芯鞘传感纱线对葡萄糖、Na⁺、K⁺和pH均表现出良好的选择性。 

图3. 基于芯鞘传感纱线的织物电化学汗液传感器的电化学性能

基于芯鞘传感纱线的织物电化学汗液传感器的集成应用

  基于芯鞘传感纱线的织物电化学汗液传感器可进一步与外置芯片等集成制作为智能运动衬衫。外置芯片实时处理芯鞘传感纱线采集到的汗液数据，由蓝牙传输至用户APP，分析用户汗液的生化指标。在剧烈运动状态（如打羽毛球，出汗速率为0.6 ~ 9 μL·min^-1·cm^-2），智能运动衬衫可快速稳定的得到汗液的葡萄糖浓度、电解质(Na⁺和K⁺)浓度以及pH值。此外，在一些温和出汗状态，如行走(出汗速率为0.5 μL·min^-1·cm^-2)和吃饭(出汗速率为0.2 μL·min^-1·cm^-2)，智能运动衬衫也能检测到稳定信号，具有广阔的应用前景。

图4. 基于芯鞘传感纱线的织物电化学汗液传感器的集成应用

结论

  这项工作开发了一种基于芯鞘传感纱线的织物电化学汗液传感器，有效提升了织物电化学汗液传感器的汗液捕获效率，最低仅需0.5 μL的汗液即可实现织物电化学汗液传感器的稳定连通。同时，其在弯曲、扭转、抖动等动态变形过程中均能保持稳定。进一步将其与外置芯片等集成制作为智能运动衬衫，可同时实现在剧烈运动和温和出汗状态下检测汗液的多种化学信息。

  以上相关成果以A Core–Sheath Sensing Yarn-Based Electrochemical Fabric System for Powerful Sweat Capture and Stable Sensing为题发表在Advanced Functional Materials上。南京大学现代工程与应用科学学院博士后王列和直博生卢江为该论文的共同第一作者。本工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省博士后科研基金、中国博士后科学基金等项目的支持。

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202200922

  下载：A Core–Sheath Sensing Yarn-Based Electrochemical Fabric System for Powerful Sweat Capture and Stable Sensing