We construct and investigate paper-based microfluidic devices, which model long-term fluid harvesting, transport, sensing, and analysis in new wearables for sweat analysis. Such devices can continuously wick fluid mimicking sweat and dispose of it on evaporation pads. We characterize and analyze how the action of capillarity and evaporation can cooperatively be used to transport and process sweat mimics containing dissolved salts and model analytes. The results point out that non-invasive osmotic extraction combined with paper microfluidics and evaporative disposal can enable sweat collection and monitoring for durations longer than 10 days. We model the fluid flow in the new capillary–evaporative devices and identify the parameters enabling their long-term operation. We show that the transport rates are sufficiently large to handle natural sweat rates, while we envision that such handling can be interfaced with osmotic harvesting of sweat, a concept that we demonstrated recently. Finally, we illustrate that the salt film deposited at the evaporation pad would eventually lead to cessation of the process but at the same time will preserve a record of analytes that may be used for long-term biomarker monitoring in sweat. These principles can be implemented in future platforms for wearable skin-interfacing assays or electronic biomarker monitors.

1.
A. W.
Martinez
,
S. T.
Phillips
,
M. J.
Butte
, and
G. M.
Whitesides
,
Angew. Chem. Int. Ed.
46
,
1318
(
2007
).
2.
A. W.
Martinez
,
S. T.
Phillips
,
E.
Carrilho
,
S. W.
Thomas
 III
,
H.
Sindi
, and
G. M.
Whitesides
,
Anal. Chem.
80
,
3699
(
2008
).
3.
Z.
Nie
,
C. A.
Nijhuis
,
J.
Gong
,
X.
Chen
,
A.
Kumachev
,
A. W.
Martinez
,
M.
Narovlyansky
, and
G. M.
Whitesides
,
Lab Chip
10
,
477
(
2010
).
4.
W.
Dungchai
,
O.
Chailapakul
, and
C. S.
Henry
,
Anal. Chem.
81
,
5821
(
2009
).
5.
W.
Zhao
and
A. V. D.
Berg
,
Lab Chip
8
,
1988
(
2008
).
6.
A. K.
Yetisen
,
M. S.
Akram
, and
C. R.
Lowe
,
Lab Chip
13
,
2210
(
2013
).
7.
D. D.
Liana
,
B.
Raguse
,
J. J.
Gooding
, and
E.
Chow
,
Sensors
12
,
11505
(
2012
).
8.
Q.
Cao
,
B.
Liang
,
T.
Tu
,
J.
Wei
,
L.
Fang
, and
X.
Ye
,
RSC Adv.
9
,
5674
(
2019
).
9.
W.
Dungchai
,
O.
Chailapakul
, and
C. S.
Henry
,
Analyst
136
,
77
(
2010
).
10.
J.
Yu
,
L.
Ge
,
J.
Huang
,
S.
Wang
, and
S.
Ge
,
Lab Chip
11
,
1291
(
2011
).
11.
S. A.
Klasner
,
A. K.
Price
,
K. W.
Holeman
,
R. S.
Wilson
,
K. J.
Bell
, and
C. T.
Culbertson
,
Anal. Bioanal. Chem.
397
,
1821
(
2010
).
12.
K.
Abe
,
K.
Suzuki
, and
D.
Citterio
,
Anal. Chem.
80
,
6928
(
2008
).
13.
J.
Lankelma
,
Z.
Nie
,
E.
Carrilho
, and
G. M.
Whitesides
,
Anal. Chem.
84
,
4147
(
2012
).
14.
W.
Dungchai
,
O.
Chailapakul
, and
C. S.
Henry
,
Anal. Chim. Acta
674
,
227
(
2010
).
15.
X.
Li
,
J.
Tian
,
G.
Garnier
, and
W.
Shen
,
Colloids Surf. B Biointerfaces
76
,
564
(
2010
).
16.
A. W.
Martinez
,
S. T.
Phillips
,
Z.
Nie
,
C.-M.
Cheng
,
E.
Carrilho
,
B. J.
Wiley
, and
G. M.
Whitesides
,
Lab Chip
10
,
2499
(
2010
).
17.
H.
Yagoda
,
Chem. Anal. Ed.
9
,
79
82
(
1937
).
18.
E.
Carrilho
,
A. W.
Martinez
, and
G. M.
Whitesides
,
Anal. Chem.
81
,
7091
(
2009
).
19.
E. M.
Fenton
,
M. R.
Mascarenas
,
G. P.
López
, and
S. S.
Sibbett
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
1
,
124
(
2009
).
20.
E.
Fu
,
P.
Kauffman
,
B.
Lutz
, and
P.
Yager
,
Sens. Actuators B Chem.
149
,
325
(
2010
).
21.
C.
Renault
,
X.
Li
,
S. E.
Fosdick
, and
R. M.
Crooks
,
Anal. Chem.
85
,
7976
(
2013
).
22.
P. A.
Samant
and
M. R.
Prausnitz
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
115
,
4583
(
2018
).
23.
D. P.
Rose
,
M. E.
Ratterman
,
D. K.
Griffin
,
L.
Hou
,
N.
Kelly-Loughnane
,
R. R.
Naik
,
J. A.
Hagen
,
I.
Papautsky
, and
J. C.
Heikenfeld
,
IEEE Trans. Biomed. Eng.
62
,
1457
(
2015
).
24.
A.
Apilux
,
W.
Dungchai
,
W.
Siangproh
,
N.
Praphairakshit
,
C. S.
Henry
, and
O.
Chailapakul
,
Anal. Chem.
82
,
51727
(
2010
).
25.
J. L.
Osborn
,
B.
Lutz
,
E.
Fu
,
P.
Kauffman
,
D. Y.
Stevens
, and
P.
Yager
,
Lab Chip
10
,
2659
(
2010
).
26.
A. R.
Rezk
,
A.
Qi
,
J. R.
Friend
,
W. H.
Li
, and
L. Y.
Yeo
,
Lab Chip
12
,
773
(
2012
).
27.
E.
Elizadle
,
R.
Urtega
, and
C. L. A.
Berli
,
Lab Chip
15
,
2173
(
2015
).
28.
X.
Wang
,
J. A.
Hagen
, and
I.
Papautsky
,
Biomicrofluidics
7
,
014107
(
2013
).
29.
S.
Choi
,
S.-K.
Kim
,
G.-J.
Lee
, and
H.-K.
Park
,
Sens. Actuators B Chem.
219
,
245
(
2015
).
30.
D.
Sechi
,
B.
Greer
,
J.
Johnson
, and
N.
Hashemi
,
Anal. Chem.
85
,
10733
(
2013
).
31.
B. M.
Cummins
,
R.
Chinthapatla
,
B.
Lenin
,
F. S.
Ligler
, and
G. M.
Walker
,
Technology
05
,
21
(
2017
).
32.
N. S.
Lynn
and
D. S.
Dandy
,
Lab Chip
9
,
3422
(
2009
).
33.
N.
Goedecke
,
J.
Eijkel
, and
A.
Manz
,
Lab Chip
2
,
219
(
2002
).
34.
Z.-R.
Xu
,
C.-H.
Zhing
,
Y.-X.
Guan
,
X.-W.
Chen
,
J.-H.
Wang
, and
Z.-L.
Fang
,
Lab Chip
8
,
1658
(
2008
).
35.
L.
Jingmin
,
L.
Chong
,
X.
Zheng
,
Z.
Kaiping
,
K.
Xue
, and
W.
Liding
,
PLoS One
7
,
e50320
(
2012
).
36.
S.
Wong
,
M.
Cabodi
,
J.
Rolland
, and
C.
Klapperich
,
Anal. Chem.
86
,
11981
(
2014
).
37.
X.
Huang
,
Y.
Liu
,
K.
Chen
,
W.-J.
Shin
,
C.-J.
Lu
,
G.-W.
Kong
,
D.
Patnaik
,
S.-H.
Lee
,
J. F.
Cortes
, and
J. A.
Rogers
,
Small
10
,
3083
(
2010
).
38.
A.
Koh
,
D.
Wang
,
Y.
Xue
,
S.
Lee
,
R. M.
Pielak
,
J.
Kim
,
T.
Hwang
,
S.
Min
,
A.
Banks
,
P.
Bastien
,
M. C.
Manco
,
L.
Wang
,
K. R.
Ammann
,
K.-I.
Jang
,
P.
Won
,
S.
Han
,
R.
Ghffari
,
U.
Paik
,
M. J.
Slepian
,
G.
Balooch
,
Y.
Huang
, and
J. A.
Rogers
,
Sci. Transl. Med.
8
,
366ra165
(
2016
).
39.
J.
Choi
,
D.
Kang
,
S.
Han
,
S. B.
Kim
, and
J. A.
Rogers
,
Adv. Healthc. Mater.
6
,
1
(
2017
).
40.
W.
Gao
,
S.
Emaminejad
,
H. Y. Y.
Nyein
,
S.
Challa
,
K.
Chen
,
A.
Peck
,
H. M.
Fahad
,
H.
Ota
,
H.
Shiraki
,
D.
Kiriya
,
D.-H.
Lien
,
G. A.
Brooks
,
R. W.
Davis
, and
A.
Javey
,
Nature
529
,
509
(
2016
).
41.
T.
Shay
,
M. D.
Dickey
, and
O. D.
Velev
,
Lab Chip
17
,
710
(
2017
).
42.
A.
Alizadeh
,
A.
Burns
,
R.
Lenigk
,
R.
Gettings
,
J.
Ashe
,
A.
Porter
,
M.
McCaul
,
R.
Barrett
,
D.
Diamond
,
P.
White
,
P.
Skeath
, and
M.
Tomczak
,
Lab Chip
18
,
2632
(
2018
).
43.
Y.
Zhang
,
H.
Guo
,
S. B.
Kim
,
Y.
Wu
,
D.
Ostojich
,
S. H.
Park
,
X.
Wang
,
Z.
Weng
,
R.
Li
,
A. J.
Bandodkar
,
R.
Ghaffari
, and
J. A.
Rogers
,
Lab Chip
19
,
1545
(
2019
).
44.
S. B.
Kim
,
K. H.
Lee
,
M. S.
Raj
,
B.
Lee
,
J. T.
Reeder
,
J.
Koo
,
A.
Hourlier-Fargette
,
A. J.
Bandodkar
,
S. M.
Won
,
Y.
Sekine
,
J.
Choi
,
Y.
Zhang
,
J.
Yoon
,
B. H.
Kim
,
Y.
Yun
,
S.
Lee
,
J.
Shin
,
J.
Kim
,
R.
Ghaffari
, and
J. A.
Rogers
,
Small
14
,
1802876
(
2018
).
45.
A.
Hauke
,
P.
Simmers
,
Y. R.
Ojha
,
B. D.
Cameron
,
R.
Ballweg
,
T.
Zhang
,
N.
Twine
,
M.
Brothers
,
E.
Gomez
, and
J.
Heikenfeld
,
Lab Chip
18
,
3750
(
2018
).
46.
P.
Ray
and
A. J.
Steckl
,
ACS Sens.
4
,
1346
(
2019
).
47.
Y.
Sekine
,
S. B.
Kim
,
Y.
Zhang
,
A. J.
Bandodkar
,
S.
Xu
,
J.
Choi
,
M.
Irie
,
T. R.
Ray
,
P.
Kohli
,
N.
Kozai
,
T.
Sugita
,
Y.
Wu
,
K. H.
Lee
,
K.-T.
Lee
,
R.
Ghaffari
, and
J. A.
Rogers
,
Lab Chip
18
,
2178
(
2018
).
48.
P. M.
van Kemenade
,
M. M. J.
Houben
,
J. M.
Huyghe
, and
L. F. A.
Douven
,
Ski. Res. Technol.
10
,
109
(
2004
).
49.
F. J.
Zhao
,
M.
Bonmarin
,
Z. C.
Chen
,
M.
Larson
,
D.
Fay
,
D.
Runnoe
, and
J.
Heikenfeld
,
Lab Chip
20
,
168
(
2020
).
50.
H.
Darcy
,
Les Fontaines Publiques de la Ville de Dijon: Exposition et Application des Principes a Suivre et des Formules a Employer Dans les Questions de Distribution D’eau
(
Dalmont
,
1856
).
51.
S.
Mendez
,
E. M.
Fenton
,
G. R.
Gallegos
,
D. N.
Petsev
,
S. S.
Sibbett
,
H. A.
Stone
,
Y.
Zhang
, and
G. P.
Lopez
,
Langmuir
26
,
1380
(
2009
).
52.
V. A.
Jambhekar
,
R.
Helmig
,
N.
Schröder
, and
N.
Shokri
,
Transp. Porous Media
110
,
251
(
2015
).
53.
Z.
Sonner
,
E.
Wilder
,
J.
Heikenfeld
,
G.
Kasting
,
F.
Beyette
,
D.
Swaile
,
F.
Sherman
,
J.
Joyce
,
J.
Hagen
,
N.
Kelley-Loughnane
, and
R.
Naik
,
Biomicrofluidics
9
,
031301
(
2015
).
54.
A. J.
Bandodkar
,
P.
Gutruf
,
J.
Choi
,
K. H.
Lee
,
Y.
Sekine
,
J. T.
Reeder
,
W. J.
Jeang
,
A. J.
Aranyosi
,
S. P.
Lee
,
J. B.
Model
,
R.
Ghaffari
,
C.-J.
Su
,
J. P.
Leshock
,
T.
Ray
,
A.
Verrillo
,
K.
Thomas
,
V.
Krishnamurthi
,
S.
Han
,
J.
Kim
,
S.
Krishnan
,
T.
Hang
, and
J. A.
Rogers
,
Sci. Adv.
5
,
eaav3294
(
2019
).
55.
J.
Choi
,
A. J.
Bandodkar
,
J. T.
Reeder
,
T. R.
Ray
,
A.
Turnquist
,
S. B.
Kim
,
N.
Nyberg
,
A. H.
Fargette
,
J. B.
Model
,
A. J.
Aranyosi
,
X.
Xu
,
R.
Ghaffari
, and
J. A.
Rogers
,
ACS Sens.
4
,
379
(
2019
).
56.
J. T.
Reeder
,
J.
Choi
,
Y.
Xue
,
P.
Gutruf
,
J.
Hanson
,
M.
Liu
,
T.
Ray
,
A. J.
Bandodkar
,
R.
Avila
,
W.
Xia
,
S.
Krishnan
,
S.
Xu
,
K.
Barnes
,
M.
Pahnke
,
R.
Ghaffari
,
Y.
Huang
, and
J. A.
Rogers
,
Sci. Adv.
5
,
eaau6356
(
2019
).
57.
H. Y. Y.
Nyein
,
L.-C.
Tai
,
Q. P.
Ngo
,
M.
Chao
,
G. B.
Zhang
,
W.
Gao
,
M.
Bariya
,
J.
Bullock
,
H.
Kim
,
H. M.
Fahad
, and
A.
Javey
,
ACS Sens.
2
,
1860
(
2017
).
58.
J.
Kim
,
I.
Jeerapan
,
S.
Imani
,
T. N.
Cho
,
A.
Bandodkar
,
S.
Cinti
,
P. P.
Mercier
, and
J.
Wang
,
ACS Sens.
1
,
1011
(
2016
).
59.
Z.
Sonner
,
E.
Wilder
,
T.
Gaillard
,
G.
Kasting
, and
J.
Heikenfeld
,
Lab Chip
17
,
2550
(
2017
).
60.
M. A.
Yokus
,
T.
Saha
,
J.
Fang
,
M. D.
Dickey
,
O. D.
Velev
, and
M. A.
Daniele
, in 2019 IEEE SENSORS (IEEE, 2019), pp. 1–4.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.