可穿戴Tb-MOF荧光传感器：实时监测人体汗液pH的创新技术

原创

来源：曹璐璐

2025-04-24 15:58:41

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核心提示：本文将介绍一种基于稀土金属有机框架（Tb-MOF）的可穿戴荧光传感器，该传感器能够实现对人体汗液pH值的实时检测，为健康监测提供了新的技术手段。

引言

随着健康监测需求的不断增长，实时监测人体生理参数成为了一个重要的研究方向。汗液作为人体的一种重要体液，其成分和pH值的变化与多种疾病密切相关。例如，囊性纤维化患者的汗液pH值通常高于正常人，而汗液pH值的变化也与皮肤病如皮炎和痤疮的发病机制有关。因此，开发一种能够实时、准确监测汗液pH值的传感器具有重要的生理意义和应用价值。本文将介绍一种基于稀土金属有机框架（Tb-MOF）的可穿戴荧光传感器，该传感器能够实现对人体汗液pH值的实时检测，为健康监测提供了新的技术手段。

正文

一、汗液pH监测的重要性

汗液是人体的一种重要排泄物，其pH值能够反映人体的生理状态和健康状况。正常情况下，人体汗液的pH值在4.50–6.50之间。当人体出现疾病、电解质失衡或脱水等情况时，汗液的pH值会发生显著变化。例如，囊性纤维化患者的汗液pH值通常较高，而某些皮肤病患者的汗液pH值也会发生变化。因此，监测汗液pH值对于疾病的早期诊断和健康监测具有重要意义。

二、现有检测方法的局限性

目前，检测汗液pH值的方法主要包括电化学传感器、表面增强拉曼散射传感器和光学可视化传感器等。然而，这些方法存在一定的局限性。例如，电化学传感器需要复杂的设备和操作，难以实现便携式检测；表面增强拉曼散射传感器虽然具有较高的灵敏度，但其制备过程复杂，成本较高；光学可视化传感器虽然操作简便，但其检测范围有限，且易受环境因素的影响。因此，开发一种新型的汗液pH检测方法具有重要的研究价值和应用前景。

三、Tb-MOF荧光传感器的创新之处

本研究中，研究人员开发了一种基于Tb-MOF的双发射荧光传感器，用于实时检测人体汗液的pH值。该传感器的核心在于Tb-DPA MOF纳米探针，其具有快速的pH响应和高灵敏度。Tb-DPA MOF由铽离子（Tb³⁺）和二苯甲酸（DPA）配位形成，具有强双发射特性。当溶液中H⁺浓度增加时，H⁺与DPA配体的羰基相互作用，导致Tb-MOF晶体结构的崩溃，从而中断了DPA与Tb³⁺之间的天线效应，使得DPA在380 nm处的发射增强，而Tb³⁺在544 nm处的发射减弱。因此，通过检测380 nm和544 nm处的荧光比值，可以实现对H⁺的准确检测。与传统的pH检测方法相比，该传感器具有响应速度快、灵敏度高、选择性好等优点。

四、实验过程与结果

研究人员首先通过水热合成法合成了Tb-DPA MOF，并对其结构和性质进行了表征。实验结果表明，Tb-DPA MOF在pH值为4.12–7.05范围内具有良好的线性响应，且具有优异的抗干扰能力。基于此，研究人员进一步制备了一种柔性可穿戴传感器，该传感器由底层粘合层、Tb-DPA MOF沉积纸和棉线网格组成。底层粘合层用于将传感器固定在皮肤上，中间层的Tb-DPA MOF沉积纸用于检测汗液的pH值，外层的棉线网格则用于防止Tb-DPA MOF与皮肤直接接触。实验结果表明，该柔性可穿戴传感器在3.50–6.70的pH范围内具有良好的线性响应，能够覆盖正常人体汗液的pH范围。此外，该传感器在存储三个月后仍具有较强的荧光发射，且检测性能未发生明显下降，显示出良好的存储稳定性。

五、实际应用与前景

为了验证该传感器的实际应用性能，研究人员将其应用于21名志愿者的汗液pH检测以及运动过程中的pH变化监测。实验结果表明，该传感器能够准确检测志愿者的汗液pH值，并实时监测运动过程中汗液pH值的变化。例如，在志愿者跑步60分钟后，汗液pH值从初始的正常范围逐渐下降至5.01，这可能是由于运动过程中乳酸的分泌导致的。因此，该可穿戴Tb-MOF荧光传感器在健康监测、运动代谢监测等领域具有广阔的应用前景。然而，由于Tb-MOF在低pH值下会发生结构破坏，该传感器无法重复使用，且其大规模生产仍需进一步解决。未来，研究人员将致力于提高传感器的可重复使用性和生产效率，以实现其在更广泛领域的应用。

结论

综上所述，基于Tb-MOF的可穿戴荧光传感器为人体汗液pH值的实时监测提供了一种新的有效手段。其具有低成本、可见颜色变化和长货架寿命等优点，特别适合普通家庭使用。通过与智能手机的结合，该传感器能够实现汗液pH值的实时、快速和高效检测，为健康监测和疾病预防提供了有力的技术支持。随着相关技术的不断优化和完善，该传感器有望在健康监测、运动医学等领域得到广泛应用，为人类健康保驾护航。