柔性可穿戴傳感器在汗液監(jiān)測中的應用綜述

余夢珂，張國軍

（湖北中醫(yī)藥大學檢驗學院納米生物傳感中心，武漢430065）

0 引言

傳感器在人類健康監(jiān)測中起著至關重要的作用。近年來，隨著對可穿戴傳感設備的日益關注，人們對可穿戴傳感器的需求迅速增長，使得可穿戴或可植入傳感器取得了顯著發(fā)展[1-7]。例如可以在眼鏡上集成無線多功能化學傳感平臺，實時監(jiān)測汗液電解質和代謝產物[8]；利用可粘貼在手腕動脈的傳感器實時監(jiān)控脈搏的變化[9]；利用可植入式微電極生物傳感器測量中樞神經系統(tǒng)的神經遞質和葡萄糖等[10-12]。

但目前的可穿戴設備大多監(jiān)測心率和與體育鍛煉相關的指標[13-17]，無法提供更深入的分子水平信息，這就促進了化學傳感器的飛速發(fā)展?；瘜W傳感器可以以非侵入方式監(jiān)測體液中的分析物，從而動態(tài)監(jiān)測個體的生理健康狀態(tài)。例如汗液、血液、淚液、尿液、唾液等都是容易獲得的體液標本，但大多數在可穿戴傳感應用方面都有局限性。例如血液和組織液可以通過可植入設備進行連續(xù)監(jiān)測，但很難通過可穿戴平臺無創(chuàng)采集；淚液監(jiān)測存在一定的危險性，連續(xù)刺激可能會產生反射性淚液，從而影響傳感器的讀數；基于尿液監(jiān)測的傳感器無法以可穿戴的形式實現；而唾液的成分由于進食的影響會發(fā)生變化，可能無法提供足夠準確的生理信息。相反，基于汗液監(jiān)測的傳感器在可穿戴傳感方面顯示出巨大前景[18-19]，其可以在人體上任意位置以無創(chuàng)方式和按需（例如通過局部化學刺激）生成，非常適合連續(xù)監(jiān)測。傳感器可以放置在產生汗液的位置附近，以便在分析物生物降解之前進行快速檢測。雖然可穿戴汗液傳感器在個性化醫(yī)療方面也面臨著諸多挑戰(zhàn)，但其相對于其他體液監(jiān)測來說仍然具有很大優(yōu)勢。通過可穿戴汗液傳感器從血液分析過渡到原位汗液分析，可以提供一種非侵入性的動態(tài)健康監(jiān)測方法。本文對柔性可穿戴傳感器在汗液監(jiān)測方面的應用進行綜述，探討監(jiān)測不同目標分析物的柔性可穿戴汗液傳感器的研究進展，并進一步討論柔性可穿戴汗液傳感器目前存在的一些局限性以及未來的發(fā)展趨勢。

1 柔性可穿戴傳感器監(jiān)測汗液中的葡萄糖

血糖濃度是患者健康的關鍵指標，尤其是對于糖尿病患者，血糖濃度可以指示他們的健康狀況。由于糖尿病患者越來越多，目前研究者已經研究了許多葡萄糖測量方法以實現連續(xù)和準確的葡萄糖水平監(jiān)測[2，20-22]。盡管直接監(jiān)測血糖可確保獲得準確的信息，但很多糖尿病患者不愿采用侵入性的針刺采血方式[2]。植入式葡萄糖傳感器可以避免重復性血液采集的負擔，但是具有很大的侵入性，并且由于生物污染和使用壽命短等缺點，需要定期更換傳感器。因此，非侵入性方法目前正在火熱研究中[19，23]。由于汗液中葡萄糖的水平與血液中的血糖濃度存在相關性，利用可穿戴傳感器實時監(jiān)測汗液中的葡萄糖水平即可反映患者的健康狀況[24-29]。

Xiao 等[30]研制了一種基于微流控芯片的可穿戴比色傳感器，用于檢測汗液中的葡萄糖，如圖1（a）所示。該傳感器由5 個微流體通道組成，這些通道從傳感器中心分支出來并連接到檢測微腔室。微流體通道可以將從表皮排出的汗液引導到微腔室，并且每個通道都與單向閥集成在一起，以避免化學試劑從微腔室回流的風險。微腔室中包含預嵌入的葡萄糖氧化酶（GOD）-過氧化物酶-鄰聯茴香胺試劑，用于檢測汗液中的葡萄糖。與傳統(tǒng)的GOD-過氧化物酶-碘化鉀（KI）比色法相比，由鄰聯茴香胺的酶促氧化引起的顏色變化對葡萄糖的響應更敏感。該傳感器可以同時執(zhí)行5 次平行檢測，檢測汗液葡萄糖的線性范圍為0.1~0.5 mmol/L，檢出限為0.03 mmol/L。采用該傳感器檢測來自禁食和餐后試驗的一組受試者的汗液樣本中的葡萄糖，結果表明，該傳感器可以顯示出禁食和口服葡萄糖后汗液葡萄糖濃度存在的細微差異。

Toi 等[25]研制了一種非酶電化學傳感器貼片用于監(jiān)測汗液中的葡萄糖水平。采用一種可拉伸的納米雜化纖維（wrinkled，stretchable，nanohybrid fiber，WSNF）作為傳感器的電極材料，其中金納米纖維部分覆蓋了還原的氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）/聚氨酯復合纖維。WSNF 具有很高的電催化活性，這是因為金納米纖維與rGO 載體上的含氧官能團協同作用，促進了葡萄糖氧化過程中的脫氫步驟。同時WSNF 具有延伸性好、靈敏度高、檢測限低、抗干擾能力強、環(huán)境穩(wěn)定性好等特點，可以在中性條件下檢測葡萄糖。如果將這種WSNF 傳感器貼片縫在可拉伸的織物上，并附著在人體皮膚表面，就可以連續(xù)測量汗液中的葡萄糖水平，以準確反映血糖水平。故將WSNF 電極部分嵌入到聚二甲基硅氧烷（polydimeth-ylsiloxane，PDMS）基材中或縫在可拉伸織物上以制備可拉伸電化學葡萄糖傳感器，如圖1（b）所示。與織物集成的WSNF 葡萄糖傳感器可以簡單地與便攜式電化學分析儀連接，并連接到人體的前額，以便連續(xù)監(jiān)測餐前和餐后汗液中的葡萄糖水平。

Bae 等[31]報道了一種完全可拉伸的微流體集成葡萄糖傳感器貼片，由全向可拉伸的納米多孔金（nanoporous gold，NPG）電化學生物傳感器和可拉伸的微流裝置組成，如圖1（c）所示。在具有應力吸收作用的3D 微圖案化PDMS 基板上制備高度電催化的NPG 電極，以賦予其機械拉伸性、高靈敏度和非酶促葡萄糖監(jiān)測的能力。通過將可拉伸的棉織物作為毛細管嵌入到薄的聚氨酯納米纖維增強的PDMS 通道中，制得一種雖然薄但可拉伸且堅韌的微流體裝置，從而能夠將汗液從皮膚上收集起來并準確地傳遞到電極表面，具有出色的連續(xù)和準確監(jiān)測汗液中葡萄糖水平的能力。

2 柔性可穿戴傳感器監(jiān)測汗液中的乳酸

汗液乳酸是人體在無氧活動（如高強度運動）作用下產生的一種小分子代謝物，運動強度的增加會導致汗液中乳酸的增加。因此，汗液可以方便地用于個人的體能分析，而無需采用有創(chuàng)性的血液采樣方法[32]。汗液乳酸也可以作為組織活性的敏感標志，并可以為局部缺血提供警告，反映氧化代謝不足和組織活性的損害。

Jia 等[33]設計了一種可貼在穿戴者皮膚上的柔性電化學酶基生物傳感器，可以在運動過程中實時、無創(chuàng)性地進行人體汗液中的乳酸監(jiān)測，如圖2（a）所示。該生物傳感器對乳酸具有化學選擇性，線性高達20 mmol/L，可抵抗表皮磨損引起的持續(xù)機械變形。該傳感器已成功應用于人類受試者，可以在受試者長時間的自行車運動中實時、連續(xù)監(jiān)測汗液中乳酸的動態(tài)，產生的時間-乳酸分布曲線可反映出運動強度改變時汗液乳酸產生的變化。這種可抵抗皮膚牽拉的汗液乳酸生物傳感器可實時、準確地評估人體的生理狀況，從而在體育、軍事和生物醫(yī)學及其他應用方面展現了可觀的前景。

圖1 可穿戴汗液葡萄糖傳感器

Zhang 等[34]開發(fā)出一種戴在眼鏡上的酶促生物傳感器，用于低噪聲和無創(chuàng)地測定體育鍛煉時人體汗液中的乳酸，如圖2（b）所示。首先將鋨絡合物（酶和電極之間的電子介體）固定在柔性印刷的碳電極上。然后，將具有乳酸氧化酶和辣根過氧化物酶的立體網狀結構的凝膠膜澆鑄在電極上以形成生物傳感器。該生物傳感器在pH 值為7.0 的磷酸鹽緩沖溶液中具有高達25 mmol/L 的線性。將常見的干擾物（例如抗壞血酸、葡萄糖和尿酸）添加到乳酸中，可觀察到可以忽略的電流干擾，表明該生物傳感器具有出色的選擇性。汗液乳酸實時監(jiān)測的成功應用意味著與眼鏡相結合的生物傳感器在體育鍛煉和生物醫(yī)學領域具有廣闊的應用前景。

Nagamine 等[35]設計了一種基于水凝膠的觸摸傳感器用于非侵入性提取和監(jiān)測汗液成分以及進行原位汗液成分分析（一類非人工取樣、制樣的就地分析技術與方法，即貼在皮膚表面就可進行汗液監(jiān)測），如圖2（c）所示。該傳感器由電化學L-乳酸生物傳感工作電極和完全覆蓋有瓊脂糖凝膠的參比電極組成，其中瓊脂糖凝膠中包含汗液提取液、杜爾貝科磷酸鹽緩沖液（Dulbecco's phosphate-buffered saline，DPBS）。當人體皮膚與瓊脂糖凝膠接觸時，汗液中的L-乳酸被連續(xù)提取到凝膠中，然后進行原位監(jiān)測。這種新型觸摸傳感器將實現對汗液生物標志物的非侵入性和每日定期監(jiān)測，而無需劇烈運動、環(huán)境溫度控制和膽堿能激動劑輔助排汗，未來有望實現對汗液生物標志物簡單、無創(chuàng)的日常連續(xù)監(jiān)測。

圖2 可穿戴汗液乳酸傳感器

3 柔性可穿戴傳感器監(jiān)測汗液中的pH 值

pH 值是疾病診斷的一個關鍵指標，汗液pH 值的異?？梢灾甘灸承┘膊〉陌l(fā)生。例如，患有Ⅱ型糖尿病的腎結石患者的pH 值比正常人低；另外，汗液pH 值的變化可能會導致皮炎、魚鱗病和真菌感染等皮膚病的發(fā)生[18]。

Nyein 等[18]開發(fā)了一種完全集成的可穿戴電化學平臺，用于同時連續(xù)監(jiān)測汗液中的Ca2+和pH 值，包含柔性的傳感裝置、集成電路和無線收發(fā)器，如圖3（a）所示。該平臺測量的Ca2+濃度和pH 的準確性分別通過感應耦合等離子體質譜技術和商用pH 計進行驗證。結果表明，該平臺具有對目標離子的高重復性和選擇性。此外該研究還進行了汗液的實時人體評估，結果表明鈣濃度隨pH 值降低而增加。該平臺可用于對汗液中Ca2+和pH 值進行無創(chuàng)連續(xù)分析，以診斷疾病。

Hou 等[36]通過選擇合適的溶劑和電紡條件，成功地將聚苯胺（polyaniine，PANI）和聚氨酯（polyurethane，PU）通過同軸靜電紡絲技術結合起來，研制出了PANI//PU 核殼納米纖維柔性pH 汗液傳感器，如圖3（b）所示。導電PANI 包裹在PU 外面，在微觀尺度上實現了良好的結合。當PANI 摻雜質子酸后，聚合長鏈上的氮原子被質子化產生激發(fā)態(tài)極化子，本征態(tài)PANI 分子內醌環(huán)消失，重新分布電子云。氮原子上正電荷的離域形成共軛結構，使傳感器具有良好的導電性和彈性。PANI//PU 傳感器可以很容易地彎曲或伸長，并且在各種運動中都不會受到損壞。該研究用電化學方法檢測了該傳感器對汗液pH 值的響應，發(fā)現該傳感器具有較高的檢測靈敏度和穩(wěn)定性，在pH 值2~7 的范圍內電信號與pH 值呈線性關系，靈敏度為-60 mV/pH，可用于汗液pH 值的靈敏檢測。

圖3 可穿戴汗液pH 傳感器

4 柔性可穿戴傳感器同時監(jiān)測汗液中的多種標志物

在過去的50 a 中，柔性可穿戴傳感器的發(fā)展已經取得了顯著的進步，單一分析物的汗液傳感器已經不能滿足臨床的需要，通過多種與健康相關的生物標志物的同時監(jiān)測來全面地評估個體的生理狀態(tài)是非侵入性實時監(jiān)測人類健康的理想方法[37-40]。

Gao 等[37]提出了一種基于柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）基底的集成型的可穿戴傳感器陣列，用于多重原位汗液分析。通過標準光刻、電子束蒸發(fā)、O2等離子體刻蝕等6~7個步驟來制造柔性集成傳感器陣列。如圖4（a）所示，其設計成腕帶式，能夠同時測量汗液中的各種離子和代謝產物。傳感組件采用柔性塑料基板PET，電極針對不同的被分析物進行了功能化，從而可以進行連續(xù)、多重的測量。印刷電路板（printed circuit board，PCB）將原始分析物的檢測信號校準為有意義的濃度值，然后傳輸到定制的App 應用程序，以方便用戶讀取結果；同時提供了變化的分析物濃度曲線，可以告知用戶電解質的消耗情況或是否脫水。

He 等[38]報道了一種基于汗液的碳纖維紡織品的柔性汗液分析貼片[如圖4（b）所示]，可同時監(jiān)測6 種與健康相關的生物分子。固有的N 摻雜石墨結構和分層的編織多孔結構可為碳纖維織物提供良好的導電性、豐富的活性位點和良好的水潤濕性，從而實現有效的電子傳輸和充足的反應物接觸，使其可以作為電化學傳感器中出色的工作電極來使用。該研究在此基礎上，制作了能夠同時監(jiān)測葡萄糖、乳酸、抗壞血酸、尿酸、Na+和K+的多元汗液分析傳感器，將選擇性檢測器與信號收集傳輸組件集成在該傳感器中，使傳感器能夠進行人體汗液的實時分析。

Lu 等[39]制造了帶有微型超級電容器（micro-supercapacitor，MSC）的集成式、可穿戴、自供電式汗液監(jiān)測系統(tǒng)，如圖4（c）所示。該汗液監(jiān)測系統(tǒng)由基于鈷酸鎳（NiCo2O4）/殼聚糖的葡萄糖傳感器、基于離子選擇性膜的Na+和K+傳感器以及基于NiCo2O4的MSC組成。作為傳感器陣列的電源，制成的基于NiCo2O4的MSC 在電源功率密度為0.09 mW/cm2的情況下顯示出出色的電化學性能，能量密度為0.64 μW/cm2。通過進一步采用信號傳導、調節(jié)和無線傳輸技術（Wi-Fi），該智能監(jiān)測系統(tǒng)可以輕松、準確地在用戶手機上顯示出對汗液生理成分的實時監(jiān)控，以評估個人的生理健康狀態(tài)。該可穿戴智能監(jiān)測系統(tǒng)展示了柔性可穿戴設備在個性化診斷和生理健康方面的潛在應用前景。

圖4 可穿戴汗液多元化傳感器

5 結語

隨著便攜式醫(yī)療系統(tǒng)的發(fā)展，柔性可穿戴傳感器正在成為下一代智能健康監(jiān)測工具，以智能、簡便和實時的方式從人體和周圍環(huán)境中獲取信息。傳統(tǒng)的醫(yī)學檢測往往需要專業(yè)技術人員使用大型儀器，并進行大量的實驗室分析，這使醫(yī)學檢測方式趨向于集中化和復雜化。同時，這些大型儀器大多依賴于血液樣本，這種侵入性檢測方式給新生兒、老年人和暈血癥患者帶來很多不便。因此，非侵入性的監(jiān)測方式逐漸成為臨床研究的熱點。連續(xù)監(jiān)測分析汗液中的生物標志物對個人非侵入性健康監(jiān)測來說具有重要意義，例如，糖尿病患者的健康監(jiān)測要求定期監(jiān)測葡萄糖水平；運動員在訓練過程中需要不斷評估體能水平和電解質情況；持續(xù)地監(jiān)測藥效可以為臨床治療提供指導性的幫助。侵入性傳感器具有明顯的局限性，因為持續(xù)提供所需的樣本（血液、尿液、血清等）是不切實際的。因此，有創(chuàng)性的傳統(tǒng)醫(yī)學檢驗模式并不適合個體健康監(jiān)測。柔性電子技術是新興的電子技術，由于其獨特的靈活性、延展性、高效性等優(yōu)點，其在檢驗醫(yī)學領域具有廣闊的應用前景?？纱┐鱾鞲衅鞯陌l(fā)展反映了從以醫(yī)院為基礎的集中式醫(yī)療模式向以家庭為基礎的個人健康管理的重大轉變，可以有效地降低醫(yī)療成本。

柔性可穿戴汗液傳感器是一種可以穿戴或與人類皮膚結合的設備，可以持續(xù)、密切地監(jiān)測個體的健康狀況，而不會限制用戶的活動，從而解決傳統(tǒng)醫(yī)學檢測方式存在的問題。因此，柔性可穿戴汗液傳感器可以實現對個體汗液生物標志物的實時連續(xù)監(jiān)測，對實現個性化醫(yī)療至關重要。可穿戴汗液傳感器可以集成到如衣服、腕帶、貼片或文身以及眼鏡上，以持續(xù)監(jiān)測一系列健康指標，并且用戶無需昂貴的設備或訓練有素的專業(yè)人員就能監(jiān)測自己的健康狀況。然而柔性可穿戴汗液傳感器也存在不足，主要表現在：（1）雖然汗液中生物標志物的水平與血液存在相關性，但與直接進行血液檢測相比，這種無創(chuàng)的方法依然不夠精確。因為個體間存在生理差異，且傳感器的制備過程（如酶的固定化等）均會影響到最終的檢測結果。所以在提高靈敏度、增強傳感器的長期穩(wěn)定性等方面，非侵入性可穿戴汗液傳感器還有待改進。（2）在同時測量多個生物標志物時，可穿戴汗液傳感器需要更高的靈敏度和選擇性。（3）由于制造過程的復雜性，不能連續(xù)批量生產，這將不利于柔性可穿戴汗液傳感器在人類健康監(jiān)測中的大規(guī)模應用。而且以化學信號為輸出類型的非侵入性生物傳感器仍處于研制的初級階段，在個體連續(xù)健康監(jiān)測方面仍存在諸多挑戰(zhàn)，例如使用汗液進行分析時的低目標分析物濃度和小采樣體積以及傳感器的機械彈性和生物兼容性等。因此，未來柔性可穿戴汗液傳感器應向低成本、制造簡便、高選擇性和靈敏度方向發(fā)展。相信隨著科研人員對制備方法和實際應用的深入研究，柔性可穿戴汗液傳感器將具有廣闊的應用前景。