面向汗液的可穿戴柔性電化學(xué)傳感器研究進(jìn)展

陳 晨，李嘉夕，聶 磊

（湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 現(xiàn)代制造質(zhì)量工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430068）

汗液作為實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)的重要生物流體，攜帶大量傳遞人體生理信息的物質(zhì)，如代謝物（葡萄糖、乳酸）、電解質(zhì)（Na+，Cl-，K+）、激素（皮質(zhì)醇、多巴胺（DA））等［1］。汗液中各生理指標(biāo)參數(shù)可有效反映個(gè)人的身體健康狀況，如葡萄糖傳感可監(jiān)測(cè)血糖濃度（空腹血糖>7 mmol/L 表明可能患糖尿?。?］；鈉離子檢測(cè)可及時(shí)預(yù)警低鈉癥（血清鈉<135 mmol/L）［1］；皮質(zhì)醇可反映壓力狀況［3］等。相較于人體其他生物液（血液、組織液、淚液、尿液、唾液等），汗液因易獲取且無創(chuàng)監(jiān)測(cè)，在體溫調(diào)節(jié)、免疫防御、電解質(zhì)和pH 平衡等方面發(fā)揮著重要的生理作用，被確認(rèn)為人體健康檢測(cè)的重要指標(biāo)。汗液分析技術(shù)主要有光學(xué)［4-5］和電化學(xué)［6］兩種常用的檢測(cè)方法。其中基于光學(xué)的汗液檢測(cè)方法是通過對(duì)比顏色或熒光強(qiáng)度變化來測(cè)量被測(cè)生理指標(biāo)，可有效直觀篩選及分析生理指標(biāo)狀態(tài)，然而在記錄精確化數(shù)值、建立個(gè)性化醫(yī)療數(shù)據(jù)庫上仍然存在局限性?；陔娀瘜W(xué)的檢測(cè)方法則是通過測(cè)量功能化電極上的電流或電位變化分析各生理指標(biāo)，其集成度高，便于實(shí)現(xiàn)微型化、輕量化設(shè)計(jì)，使其在可穿戴健康監(jiān)控領(lǐng)域被廣泛研究［7-8］。

據(jù)普查，我國60 歲以上的老年人占全國總?cè)丝诘?8.7%，人口老齡化日益嚴(yán)重，并且在過去十年我國糖尿病患者人數(shù)增幅高達(dá)56%，慢性病患病率快速增長［9］，因此醫(yī)療保健的需求逐漸加重。傳統(tǒng)的血檢方法需要經(jīng)過培訓(xùn)的專家在復(fù)雜的醫(yī)療儀器設(shè)備中進(jìn)行離體檢測(cè)，而可穿戴式汗液傳感器［10-13］無創(chuàng)、非侵入式的原位測(cè)量及長期實(shí)時(shí)快速地反饋各生理指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、柔性化、智能化發(fā)展，在預(yù)防性護(hù)理、慢性疾病長期監(jiān)測(cè)、及時(shí)地診斷和治療等醫(yī)療健康領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，在個(gè)性化遠(yuǎn)程醫(yī)療平臺(tái)建立上展現(xiàn)出巨大應(yīng)用前景。目前在市面上可穿戴傳感器中，F(xiàn)reeStyle Libre（Abbott）［14］作為新型的微針式可穿戴葡萄糖傳感器，通過檢測(cè)人體組織液中葡萄糖含量反映人體血糖濃度變化，其監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度較高，然而該產(chǎn)品未能采用非侵入的方式檢測(cè)葡萄糖含量的變化。因此，基于汗液的可穿戴式傳感器深受國內(nèi)外研究者廣泛關(guān)注，對(duì)汗液中的多生物指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)、非侵入式監(jiān)測(cè)，對(duì)于運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)、疾病預(yù)防以及健康管理具有廣泛應(yīng)用。

隨著汗液電化學(xué)傳感器微型化、集成化、智能化的發(fā)展，在個(gè)人健康實(shí)時(shí)、無創(chuàng)監(jiān)測(cè)方面具有重大潛力。目前汗液傳感器研究方向主要為敏感材料、柔性電極、微型化設(shè)計(jì)、集成結(jié)構(gòu)等方面，其中敏感材料是傳感的關(guān)鍵因素，具有高的比表面積以及多活性位點(diǎn)的金屬基復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料因其可再生性、結(jié)構(gòu)多樣化、高電子遷移率、熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度等特性，可有效增加傳感器與靶標(biāo)分子的接觸面積，提高傳感器的檢測(cè)性能，成為了研究熱點(diǎn)。

本文闡述了可穿戴汗液傳感器的基底、集汗模塊、傳感單元、電源模塊以及決策單元等集成結(jié)構(gòu)，著重強(qiáng)調(diào)了金屬基、碳基納米結(jié)構(gòu)在電化學(xué)傳感敏感材料中的應(yīng)用，討論了可穿戴汗液傳感器存在的挑戰(zhàn)以及解決思路，為進(jìn)一步研究提供參考方向。

1 面向汗液的可穿戴柔性電化學(xué)傳感器集成結(jié)構(gòu)

近年來，研究者們通過對(duì)可穿戴柔性汗液傳感器的基底、集汗、傳感、電源和決策五大模塊集成設(shè)計(jì)，逐步優(yōu)化了汗液收集機(jī)制、多模態(tài)傳感以及數(shù)據(jù)分析與傳輸?shù)裙δ?，其集成結(jié)構(gòu)如圖1 所示［15-18］。

圖1 面向汗液的可穿戴柔性電化學(xué)傳感器集成結(jié)構(gòu)［15-18］Fig.1 Wearable flexible electrochemical sensor integration structure for sweat［15-18］

1.1 傳感基底

目前常用的柔性傳感器材料為紡織物［19-20］、紙［21-23］、纖維素［24-27］、彈性體（如聚二甲基硅氧烷（PDMS）［28-31］、共聚酯（ecoflex）［32］、聚氨酯（PU）［33-34］、水凝膠［35］）等。紡織基底柔順透氣，且具有一定的彈性，可適應(yīng)人體對(duì)舒適度的要求，其多樣化的纖維和編織圖案、較低的成本、生物相容性為可穿戴式汗液傳感器提供了更廣泛的基材選擇，如圖2（a）所示［20］。另外，紙基結(jié)構(gòu)因其液體傳輸特性且與許多化學(xué)和生化部分兼容，常同其他材料進(jìn)行結(jié)合（如基于微流控紙基芯片或與棉線和濾紙相結(jié)合）以改善紙基器件強(qiáng)度不足的缺點(diǎn)，如圖2（b）所示［23］。而納米纖維素具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、高比表面積、高透氣性、良好的親水性、穩(wěn)定的化學(xué)性能、良好的生物相容性，為可穿戴式汗液傳感器提供了更廣泛的基材選擇，如圖2（c）［27］所示。此外，彈性體具有薄、低模量、生物相容性好等特點(diǎn)，通過仿生可控制備使其更符合人體皮膚貼合度，其良好的透氣性、優(yōu)異的拉伸性能以及易與微流控等單元進(jìn)行集成，為可穿戴傳感器的發(fā)展提供了保障，如圖2（d）~（g）所示［31-32，34-35］?？纱┐魇絺鞲衅骰淄ǔ槿彳洝⒖勺冃吻也灰讖钠つw表面脫落的材料，以應(yīng)對(duì)身體活動(dòng)帶來的機(jī)械拉伸和變形，提高穿戴者的移動(dòng)性和舒適性。為避免基底彎曲或變形而破裂，產(chǎn)生信號(hào)的劇烈變化，往往需對(duì)電極油墨成分和電極進(jìn)行優(yōu)化和預(yù)處理。

圖2 汗液傳感器的傳感基底（a）帶有銅電極的織物傳感器[20]；（b）紙基傳感貼片[23]；（c）納米纖維素基傳感器[27]；（d）PDMS 基可穿戴傳感器[31]；（e）基于ecoflex 硅酮/多壁碳納米管（MWCNT）的可穿戴傳感器[32]；（f）超薄柔性熱塑性聚氨酯/炭黑纖維薄膜傳感器[34]；（g）基于離子水凝膠的超靈敏、可變形、透明摩擦電觸覺傳感器[35]Fig.2 Sensor base of sweat sensor（a）fabric sensor with copper electrode[20];（b）paper-based sensor patch[23];（c）nanocellulose-based sensors[27]；（d）PDMS-based wearable sensor[31];（e）ecoflex silicone/multi-walled carbon nanotube (MWCNT)-based wearable sensors[32];（f）ultra-thin flexible thermoplastic polyurethane/carbon black fiber film sensor[34];（g）ultra-sensitive,deformable,transparent triboelectric tactile sensor based on ionic hydrogels[35]

1.2 集汗模塊

人體皮膚表面積約1.8 m2，每天損失的不感汗量為0.6~2.3 L［36］。據(jù)報(bào)道，單位面積汗液分泌速率不規(guī)則，其中手腳不感汗量最多，約為0.075~0.15 μL·min-1·cm-2，難以滿足電化學(xué)傳感測(cè)試需求（>1 μL）［37］，因此汗液的采集和收集對(duì)于可穿戴汗液傳感設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確與可靠至關(guān)重要，微流控技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汗液收集。

為實(shí)現(xiàn)微量汗液的高效收集，學(xué)者們借鑒自然生物優(yōu)異的集水結(jié)構(gòu)（如仙人掌的針狀葉、蜘蛛絲的特殊表面結(jié)構(gòu)），開展了仿生微流控技術(shù)［38］的研究。2019 年，Reeder 等［39］引入了可以連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)汗液流失量、汗液流失速率和汗液生物標(biāo)記物的微流控系統(tǒng)，如圖3（a）所示。Reeder 利用汗腺本身作為壓力源制備了微流控汗液裝置，通過集成可逆流體指示器、可重復(fù)使用的負(fù)壓泵、化學(xué)噴射泵和軟夾緊閥，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)清除舊汗液。2021 年，Son 等［40］受仙人掌啟發(fā)提出了一種可以有效收集汗液以進(jìn)行快速和持續(xù)醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)的汗液收集貼片，如圖3（b）所示。該貼片結(jié)合分層的微納米超疏水/超親水表面材料形成楔形通道，可實(shí)現(xiàn)自發(fā)的汗液定向收集（集汗速率為2 μL·min-1·cm-2），有效提高了集汗能力及集汗效率。然而，微流控技術(shù)在一些方面仍存在挑戰(zhàn)，如表面揮發(fā)、浸潤性等。

圖3 汗液傳感器的集汗模塊（a）微流體裝置[39]；（b）仙人掌脊椎仿生結(jié)構(gòu)微流控汗液收集裝置[40]；（c）用Janus PE/NC 紡織品覆蓋的人體汗液輸出路徑示意圖[41]Fig.3 Sweat collection module of sweat sensor（a）microfluidic devices[39]（;b）cactus spine bionic structure microfluidic sweat collection device[40];（c）schematic diagram of human sweat output path covered with Janus PE/NC textiles[41]

Janus 技術(shù)為微流控技術(shù)提供了一種新的補(bǔ)充和解決方案，其雙重性質(zhì)如親水/疏水、極性/非極性使其具有獨(dú)特的定向操控能力。2019 年，Dai 等［41］報(bào)告了一種超疏水/親水的Janus 聚酯/硝化纖維素紡織品，嵌入具有親水內(nèi)表面的錐形微孔陣列，可實(shí)現(xiàn)定向液體傳輸（1246%）并保持人體溫度，如圖3（c）所示。當(dāng)具有大開口親水錐形微孔的疏水性聚酯層與液體接觸時(shí)，Janus 聚酯/硝化纖維織物可通過毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的親水性錐形微孔將其泵送至超親水性硝化纖維層。2020 年，He 等［42］提出了一種基于智能Janus 的集成式微量汗液收集及電化學(xué)傳感器，通過靜電紡絲在超親水紗布上制備超疏水PU 納米纖維陣列形成Janus 膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖、K+和Na+等多種生物指標(biāo)的靈敏檢測(cè)。目前汗液往往通過體育鍛煉、暴露于溫暖潮濕環(huán)境（桑拿、沐?。┗螂娏鞔碳磉M(jìn)行收集，然而這些方法不能有效地適用于嬰兒或老年患者，也不能更普遍地用于日?；顒?dòng)中人們健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［43］。因此仍需進(jìn)一步探明親疏水結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制及Janus 膜/微流控機(jī)理研究，以解決微量汗液收集難的問題。

1.3 傳感單元

電化學(xué)傳感，通過被測(cè)物質(zhì)傳遞到工作電極（WE）表面發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物含量的檢測(cè)，由于其較高的選擇性和靈敏度、微型化、可集成等特性而被廣泛應(yīng)用于可穿戴傳感器件中。電化學(xué)傳感器通常是由三電極系統(tǒng)（WE、對(duì)電極（CE）、參比電極（RE））、電解液組成，其中WE 為實(shí)際發(fā)生反應(yīng)的電極，一般使用貴金屬、碳、過渡金屬氧化物等納米結(jié)構(gòu)；CE 為輔助電極，與WE 形成回路使WE 上電流暢通，可保證反應(yīng)在WE 上發(fā)生，通常使用鉑/碳電極；RE 作為基礎(chǔ)參照，不受電解液成分變化的影響，使用飽和甘汞/銀-氯化銀電極（Ag/AgCl）。常見的電化學(xué)測(cè)試方法可分為電位型、電流型、伏安型以及電化學(xué)阻抗譜（EIS）。電位型傳感器通過輸出電位隨目標(biāo)分析物濃度變化的趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物的檢測(cè)；電流型傳感器則是通過施加電位到WE，以測(cè)量WE 上發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生的電流；伏安型傳感器通過WE 與RE 之間的電壓掃描，提取所得峰電流特征以確定反應(yīng)物濃度，與電流型相比，可以實(shí)現(xiàn)更高的檢測(cè)限度；而EIS 通過測(cè)量電化學(xué)反應(yīng)中阻抗的變化，并對(duì)復(fù)雜阻抗的奈奎斯特圖進(jìn)行分析來實(shí)現(xiàn)被測(cè)物的檢測(cè)，具有靈敏度高、檢測(cè)限低的優(yōu)勢(shì)，但是通常需要較長的測(cè)量周期以及后期處理。

汗液中包含電解質(zhì)（Na+，Cl-，Ca2+等）、代謝物（乳酸、葡萄糖等）、激素（DA、皮質(zhì)醇等）、pH 等多模態(tài)生理指標(biāo)，可反映個(gè)人健康狀況，如Na+可對(duì)低鈉血癥進(jìn)行預(yù)警；高濃度Cl-被用作囊性纖維化（CF）診斷指標(biāo)［1］；Ca2+含量可用來檢測(cè)骨髓瘤、腎功能衰竭以及肝硬化［44］；乳酸可用于監(jiān)測(cè)呼吸衰竭、組織缺氧、敗血癥和乳酸性酸中毒［45］；葡萄糖含量是判斷糖尿病的關(guān)鍵指標(biāo)［46］；DA 在運(yùn)動(dòng)控制、藥物成癮等方面發(fā)揮著重要作用［47］；皮質(zhì)醇水平升高可反映情緒壓力指數(shù)［48］；pH可反映個(gè)人傷口痊愈情況。因此，可穿戴汗液傳感器可根據(jù)汗液成分的不同生物親和機(jī)制，選擇合適的測(cè)試方法研究電化學(xué)行為以實(shí)現(xiàn)對(duì)生理狀態(tài)的無創(chuàng)、持續(xù)、非侵入式監(jiān)測(cè)。

1.3.1 電解質(zhì)傳感

Na+，Cl-，Ca2+等電解質(zhì)因其在汗液中的濃度為毫摩爾級(jí)，通常選擇電位法利用離子膜電位測(cè)定溶液中離子活度/濃度。2016 年，Nyein 等［44］研究了一種可穿戴的電化學(xué)裝置，分析了生物流體中游離鈣的穩(wěn)態(tài)對(duì)人體生物功能和器官系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明，該傳感器對(duì)Ca2+具有高的重復(fù)性和選擇性，Ca2+濃度隨著pH 值的降低而增加。2017 年，Emaminejad 等［49］研究了一種用于檢測(cè)Cl-的電位型傳感器，集成了在可穿戴汗液分析平臺(tái)中的電化學(xué)增強(qiáng)離子電滲界面，該界面可通過各種分泌曲線誘發(fā)汗液以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，能夠檢測(cè)到CF 患者與健康對(duì)照受試者相比時(shí)汗液電解質(zhì)含量的升高。2022 年，Ghoorchian 等［50］提出了一種可穿戴電位型傳感器，該傳感器可完全集成到頭帶織物中無創(chuàng)分析人體汗液中的Na+并實(shí)現(xiàn)醫(yī)療保健和疾病診斷。以上研究者采用電化學(xué)電位型傳感，通過電極電位信號(hào)表征分析了汗液中電解質(zhì)離子含量及多指標(biāo)參數(shù)間的影響。

1.3.2 代謝物傳感

為了更好地表征電化學(xué)傳感特性，一般使用多種測(cè)試方法檢測(cè)汗液代謝物。2019 年，Amin 等［51］研究了一種用于定量測(cè)試乳酸的循環(huán)伏安法（CV）電化學(xué)傳感平臺(tái)，通過氧化鎳納米顆粒（NiONPs）修飾玻碳電極（GCE）有效提高了對(duì)乳酸傳感的靈敏度，該傳感器的檢測(cè)限（LOD）為5.7 μmol/L，具有良好的穩(wěn)定性。2020 年，Choi 等［52］提出了一種利用MWCNT-聚吡咯核殼納米線對(duì)人體汗液中乳酸進(jìn)行選擇性非酶電流檢測(cè)方法。研究發(fā)現(xiàn)，該材料具有良好的傳感性能，其靈敏度為2.9 μA·（mmol/L）-1·cm-2，LOD 為51 μmol/L。2020 年，Hovancová 等［53］提出了鈦金屬包覆二氧化鈦（Ti/TiO2）非酶葡萄糖傳感器，并使用EIS 法進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明該傳感器具有較寬的線性范圍、良好的選擇性及LOD。2020 年，Chen 等［54］研究了一種基于葡萄糖-硼酸雙齒絡(luò)合物形成的夾心型電化學(xué)傳感器，用于葡萄糖的選擇性測(cè)定。利用EIS、CV 和差分脈沖伏安法（DPV）研究該傳感器的電化學(xué)特性，顯示出該傳感器在半乳糖、果糖、甘露糖和其他生理環(huán)境中常見干擾（如尿素（UA）、抗壞血酸（AA）和多巴胺（DA））共存的情況下的良好選擇性，且具有高靈敏度、良好的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性以及良好的生物相容性。研究者們采用電流型、伏安型以及EIS 等不同測(cè)試方法，通過優(yōu)化納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)代謝物的快速、高靈敏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，展現(xiàn)了電化學(xué)在汗液傳感中的應(yīng)用前景。

1.3.3 激素傳感

激素檢測(cè)一般使用伏安法和EIS。例如汗液皮質(zhì)醇傳感過程中阻抗發(fā)生連續(xù)變化，通常采用EIS 測(cè)試方法。2019 年，Nankya 等［55］研究了一種介孔石墨烯（MG）生物分子的電化學(xué)傳感，用于AA 存在的條件下檢測(cè)DA。采用CV 和微分脈沖伏安法（DPV）研究了MG 在鉑（Pt）電極上的電化學(xué)行為，DPV 有助于在高濃度AA 存在情況下有選擇性和靈敏地檢測(cè)DA，該傳感器表現(xiàn)出良好的靈敏度、LOD、選擇性和與濃度的線性關(guān)系。2020 年，Mounesh 等［56］開發(fā)了乙酰氨基酚（PA）和DA 敏感檢測(cè)的電化學(xué)傳感器，通過CV、DPV、計(jì)時(shí)安培法和EIS 對(duì)制備的傳感器進(jìn)行了研究。研究表明，該傳感器在50~750 nmol/L 的線性范圍內(nèi)對(duì)PA 和DA 的檢測(cè)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，LOD 分別為17 nmol/L 和19 nmol/L（S/N＝3），重現(xiàn)性的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.1%，回收率為97.4%~103.3%。以上研究表明，利用伏安法和EIS 等電化學(xué)方法，結(jié)合特定的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料優(yōu)化選擇，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激素的高靈敏監(jiān)測(cè)。

1.3.4 pH 傳感

目前對(duì)汗液pH 的常用測(cè)量方法為基于聚苯胺膜（PANI）的電位法。2017 年，Rahimi 等［57］分析了用于可穿戴的高度可拉伸電化學(xué)pH 傳感器，使用PANI 作為導(dǎo)電填料、結(jié)合材料和pH 敏感膜滲透。結(jié)果表明，該傳感器可以承受高達(dá)135% 的拉伸，并且在超過12000 次拉伸和釋放循環(huán)測(cè)試中電阻沒有明顯變化，表現(xiàn)出高靈敏度和優(yōu)異的穩(wěn)定性。2019 年，Manjakkal等［58］提出了一種用于可穿戴紡織基電位pH 傳感器，通過電位分析所制備的傳感器，在pH 值為6~9 的范圍內(nèi)具有4 mV/pH 的靈敏度，響應(yīng)時(shí)間為5 s，即使在自來水中清洗后，所制傳感器仍具有（47±2） mV 的長時(shí)間（2000 s）穩(wěn)定響應(yīng)。2020 年，Wang 等［59］報(bào)道了一種基于彈性體結(jié)合金納米線涂層技術(shù)的可拉伸金纖維電化學(xué)pH 傳感器。通過在金纖維上電沉積PANI和Ag/AgCl，實(shí)現(xiàn)在離子選擇電極設(shè)計(jì)中基于開路電勢(shì)選擇性地檢測(cè)pH，具有高靈敏度（60.6 mV/pH）、選擇性和拉伸性。pH 的檢測(cè)可為汗液多參數(shù)監(jiān)測(cè)提供有效解決方案，對(duì)于基于PANI 的汗液pH 值傳感，需要進(jìn)一步研究pH 值與電極之間的潛在響應(yīng)來校準(zhǔn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.3.5 溫度傳感

人體排汗量與溫度密切相關(guān)，探究汗液成分與體溫之間的關(guān)系是實(shí)現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)測(cè)、個(gè)性化醫(yī)療的有力途徑。2016 年，Gao 等［10］提出了一個(gè)完全集成（即不需要外部分析）用于多路原位汗液分析的傳感器陣列，該傳感器可同步并選擇性地檢測(cè)汗液代謝物、電解質(zhì)以及長時(shí)間室內(nèi)外體育活動(dòng)期間的皮膚溫度。采用Cr/Au 金屬微細(xì)線基于電阻的溫度傳感器，以校準(zhǔn)傳感器的響應(yīng)、確保數(shù)據(jù)的可靠性。2016 年，Baldwin 等［60］設(shè)計(jì)了一種用于生理液體的新型電化學(xué)熱流量傳感器。該傳感器由Pt 電阻加熱器和Pt 傳感電極構(gòu)成，位于聚對(duì)二甲苯碳基板上，使其具有柔性和完全生物相容性。在加熱過程中，使用傳感電極上的EIS 變化來檢測(cè)溫度，并且在過熱溫度僅為1 ℃的情況下實(shí)現(xiàn)了高度靈敏的流量測(cè)量。2021 年，Xuan 等［61］報(bào)道了一種乳酸生物傳感器，其中使用MWCNT 連接兩個(gè)碳電極研究了用于體溫監(jiān)測(cè)的傳感模塊。該傳感器表現(xiàn)良好的重復(fù)性、再現(xiàn)性和可逆性，適用于在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)或通過離子導(dǎo)入的出汗刺激后人體汗液乳酸、pH 和溫度監(jiān)測(cè)。仍需要進(jìn)一步探究溫度對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響機(jī)制并進(jìn)一步校準(zhǔn)，以提高傳感器的準(zhǔn)確度。

綜上所述，仍需深入分析pH、溫度等生化參數(shù)之間的影響機(jī)制，結(jié)合汗液傳感機(jī)制對(duì)多模態(tài)生化標(biāo)記進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，深入研究血液與汗液分析物含量之間的相關(guān)性，進(jìn)一步提高汗液傳感的準(zhǔn)確度。

1.4 電源模塊

對(duì)人體健康狀態(tài)進(jìn)行長期持續(xù)監(jiān)測(cè)的可穿戴式傳感器，能量供應(yīng)至關(guān)重要。目前，可穿戴設(shè)備的供電方式大致可分為可持續(xù)供電和非持續(xù)供電。傳統(tǒng)供電方式是在可穿戴傳感器上安裝紐扣電池或小型鋰電池，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感單元的非持續(xù)供電。為建立個(gè)性化醫(yī)療健康數(shù)據(jù)庫，需滿足可穿戴設(shè)備長期監(jiān)測(cè)的需求［62］，然而傳統(tǒng)電池供電方式難以提供持續(xù)供電，因此，許多從環(huán)境中收集能量實(shí)現(xiàn)持續(xù)自供電方式如生物燃料電池［23，63-64］、太陽能電池［65］、壓電［66］和摩擦發(fā)電［67-68］等成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。其中汗液含有大量生物電解質(zhì)，可作為生物燃料電池滿足可穿戴傳感器的持續(xù)性供電，而被廣泛研究。

2017 年，Yu 等［63］引入了一種基于單個(gè)光電生物燃料電池的新型可穿戴傳感自供電器件，它不僅可以從佩戴者的代謝產(chǎn)物中提取電子能，還可以從環(huán)境照明中提取光能，實(shí)現(xiàn)對(duì)汗液乳酸的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。2017年，Cho 等［23］研究了一種紙基自供電傳感器貼片，用于檢測(cè)汗液中的葡萄糖水平，利用將垂直堆疊的紙基葡萄糖/氧酶燃料電池集成到標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)可貼貼片中，通過將汗液中化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)對(duì)汗液中葡萄糖監(jiān)測(cè)的自供電，如圖4（a）所示。2019 年，Ortega 等［64］研究了一種用于測(cè)量汗液電導(dǎo)率的自供電皮膚貼片，將吸收的汗液作為紙基電池電解質(zhì)，輸出功率和電壓可直接反映汗液中電導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)汗液電導(dǎo)率傳感的自供電，如圖4（b）所示?？纱┐髟O(shè)備的供能需求取決于測(cè)量的復(fù)雜程度，往往決策單元決定。因此，需根據(jù)傳感器件所需能量對(duì)生物燃料電池進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖4 汗液傳感器的電源模塊（a）紙基自供電葡萄糖傳感系統(tǒng)示意圖[23]；(b)自供電皮膚貼片設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)裝置[64]Fig.4 Power supply module of sweat sensor（a）schematic diagram of paper-based self-powered glucose sensing system[23];（b）self-powered skin patch design scheme and realization device[64]

1.5 決策單元

可穿戴設(shè)備通過傳感機(jī)制獲取個(gè)人生理狀態(tài)信息，創(chuàng)建個(gè)性化醫(yī)療數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。決策單元可將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為易讀模式，主要包括數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)分析兩個(gè)部分?？纱┐骱挂簜鞲衅魍ㄟ^佩戴或與皮膚緊密貼合的方式持續(xù)監(jiān)測(cè)，由于佩戴位置不同、導(dǎo)線連接造成的不便等因素，通過無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)表現(xiàn)得尤為突出。數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇取決于傳感器的預(yù)期功耗以及傳輸距離，常用的數(shù)據(jù)傳輸方式有藍(lán)牙［69］、近場(chǎng)通信［70］、射頻識(shí)別［71］以及LoRa［72］等。藍(lán)牙、近場(chǎng)通訊技術(shù)傳輸速度較快、安全性較高，射頻識(shí)別技術(shù)因其適用性和簡易性被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域或是提供電力的接近設(shè)備，而LoRa 可實(shí)現(xiàn)低功耗的遠(yuǎn)距離傳輸，其傳輸距離為射頻識(shí)別的3~5 倍。

汗液傳感獲取的生理數(shù)據(jù)通過數(shù)字信號(hào)陣列轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（如電流、電壓），隨后將其傳入數(shù)據(jù)分析部分，通過相應(yīng)的算法轉(zhuǎn)換為預(yù)處理信號(hào)（如pH、離子濃度等），預(yù)處理信號(hào)通過特征工程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（包括異常值和異常檢測(cè)、輸入數(shù)據(jù)的聚類、降噪、缺失特征的處理、數(shù)據(jù)歸一化、降維和基線校正等方法），決策單元根據(jù)二次處理數(shù)據(jù)對(duì)個(gè)人生理信息做出決策。決策單元是可穿戴汗液傳感器的重要組成部分之一，在數(shù)據(jù)優(yōu)化、電源管理、信息安全等方面具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 納米材料在可穿戴柔性電化學(xué)傳感中的應(yīng)用

對(duì)于電化學(xué)傳感而言，敏感材料是傳感器電極的關(guān)鍵組成部分之一。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，特別是功能化納米結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，為電化學(xué)傳感提出了新的測(cè)試原理和檢測(cè)技術(shù)。納米結(jié)構(gòu)具備優(yōu)異的物理、化學(xué)、電催化等性能，加之其量子尺寸和表面效應(yīng)，因此被廣泛應(yīng)用于航天、醫(yī)療、能源、傳感等領(lǐng)域。基于納米結(jié)構(gòu)的電化學(xué)傳感器呈現(xiàn)出體積更小、速度更快、檢測(cè)靈敏度更高和可靠性更好等優(yōu)異性能。納米結(jié)構(gòu)因其具有極高的比表面積和良好的生物相容性，有利于提高敏感分子的吸附性能、生化反應(yīng)的速率，因此，功能化納米結(jié)構(gòu)在電化學(xué)生物傳感器中的應(yīng)用可以顯著提高傳感器的性能。近年來，學(xué)者們對(duì)不同納米結(jié)構(gòu)在電化學(xué)傳感中的應(yīng)用展開了大量的研究，將貴金屬、過渡金屬氧化物、碳以及復(fù)合納米結(jié)構(gòu)用于電化學(xué)傳感研究，顯示了不同納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)范圍、靈敏度、導(dǎo)電及催化性能的差異性。

2.1 金屬基納米材料

金屬基納米結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒔饘俚奈锘再|(zhì)與納米結(jié)構(gòu)的特殊性能結(jié)合起來，有其他納米結(jié)構(gòu)不具備的獨(dú)特性質(zhì)。貴金屬（如Au，Pt 等）及過渡金屬氧化物（如Ag，Cu，Co 等）納米結(jié)構(gòu)具有較好生物相容性、電催化等性能，將其應(yīng)用于電化學(xué)傳感可以更好地展示其電化學(xué)特性，如提高電子傳輸能力、增加電化學(xué)傳感的活性位點(diǎn)以及改善電極材料的導(dǎo)電性。

2.1.1 貴金屬

貴金屬納米結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，其中Au，Pt 等貴金屬納米結(jié)構(gòu)因其高催化活性、高耐蝕性和特殊的電學(xué)性質(zhì)使其在工業(yè)催化、燃料電池、電化學(xué)傳感器等領(lǐng)域具有重要地位，日益受到科學(xué)家們的關(guān)注。2017 年，Jolly 等［73］通過表面化學(xué)法將AuNPs附著在金平面上建立了一種無標(biāo)記雙模式阻抗和電流適體傳感器平臺(tái)，該傳感平臺(tái)通過檢測(cè)前列腺特異性抗原（PSA）實(shí)現(xiàn)對(duì)前列腺癌的及時(shí)預(yù)警。與標(biāo)準(zhǔn)的二元自組裝單層適體傳感器相比，AuNPs 可以顯著提高阻抗檢測(cè)的極限，在10 pg/mL~10 ng/mL 的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了低至10 pg/mL 的PSA 檢測(cè)，符合臨床相關(guān)值范圍要求的同時(shí)保持了高分析特異性。2020 年，Alafeef 等［74］研究了一種使用AuNPs 的快速（<5 min）、低成本、易實(shí)現(xiàn)和定量的紙基電化學(xué)傳感器芯片，可實(shí)現(xiàn)SARS-CoV-2 遺傳物質(zhì)的數(shù)字檢測(cè)，如圖5（a）所示。實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器能夠成功將COVID-19 陽性樣本與陰性樣本區(qū)分開來，其LOD 為6.9 copies/μL、靈敏度為231 （copies/μL）-1并且特異性接近100%，具有良好的準(zhǔn)確性與選擇性。2021 年，Mazzotta 等［75］引入了尺寸可調(diào)的PtNPs 用于過氧化氫（H2O2）的電催化檢測(cè)。因PtNPs 的高比表面積表現(xiàn)出更強(qiáng)的傳感能力，所制備的系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，如LOD 為10 μmol/L、靈敏度、選擇性、重現(xiàn)性、重復(fù)性和時(shí)間穩(wěn)定性。貴金屬納米結(jié)構(gòu)在電化學(xué)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)提高電化學(xué)傳感性能的具有重要意義。

圖5 金屬基傳感材料（a）Au NPs 紙基電化學(xué)傳感器芯片[74]；（b）基于CuO 納米結(jié)構(gòu)的電化學(xué)傳感器[78]；（c）基于CuO/CeO2納米復(fù)合材料非酶葡萄糖生物傳感器[79]Fig.5 Metal-based sensing materials（a）Au NPs paper-based electrochemical sensor chips[74]（;b）electrochemical sensor based on CuO nanostructure[78];（c）non-enzymatic glucose biosensor based on CuO/CeO2 nanocomposites[79]

2.1.2 過渡金屬氧化物

過渡金屬氧化物作為金屬納米材料研究的一個(gè)重要分支種類繁多（如Cu，Co，Ni，F(xiàn)e 等氧化物），相較于貴金屬材料，過渡金屬氧化物性質(zhì)更加穩(wěn)定，具有更好的催化性能，在電化學(xué)傳感、儲(chǔ)能、化學(xué)催化等方面都有著非常廣闊的應(yīng)用前景。由于過渡金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)對(duì)生物小分子等具有優(yōu)良的電催化活性，因此常被用于制備非酶?jìng)鞲衅鳎Ｓ糜陔娀瘜W(xué)傳感器的過渡金屬氧化物主要分為單金屬、雙金屬以及多金屬。2018 年，Tian 等［76］使用三種不同的金屬氧化物（氧化銅（CuO）、四氧化三鈷（Co3O4）、NiO）探究其對(duì)葡萄糖的傳感能力。結(jié)果表明，由于CuO，Co3O4，NiO對(duì)葡萄糖的電子電導(dǎo)率、電化學(xué)活性和催化行為不同，所以對(duì)葡萄糖的性能有所不同，其中CuO 對(duì)葡萄糖表現(xiàn)出最高的靈敏度（168.7 μA·（mmol/L）-1·cm-2）和選擇性。2020 年，Buledi 等［77］基于CuO 納米結(jié)構(gòu)修飾GCE 研究了一種可同時(shí)測(cè)定氫醌（HQ）和AA 的電化學(xué)傳感器。采用CV 研究CuO/GCE 對(duì)硼酸鹽緩沖溶液（pH=8.0）中HQ 和AA 的氧化表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性，電化學(xué)信號(hào)表現(xiàn)為兩個(gè)分辨良好的氧化峰并且具有顯著峰電位差。當(dāng)分析物濃度發(fā)生改變時(shí)，測(cè)定的HQ 和AA 的線性響應(yīng)范圍分別為0.0003~0.355 mmol/L 和0.0001~0.30 mmol/L。2021 年，Buledi 等［78］引入了一種有效的傳感探針，通過特殊的CuO 結(jié)構(gòu)檢測(cè)UA，如圖5（b）所示。基于CuO 納米結(jié)構(gòu)的電化學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)了在較寬的UA 范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性響應(yīng)。測(cè)定的線性UA 的動(dòng)態(tài)范圍是0.001~351 mmol/L，檢測(cè)極限低至0.6 μmol/L，CuO結(jié)構(gòu)在檢測(cè)UA 時(shí)表現(xiàn)出驚人的電催化行為。

相較于單個(gè)過渡金屬氧化物納米粒子，雙、多過渡金屬由于金屬的協(xié)同效應(yīng)，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，最大程度發(fā)揮材料優(yōu)勢(shì)，能夠更好地提高電化學(xué)傳感器的活性位點(diǎn)與靈敏度。2016 年，Guan 等［79］引入了一種基于CuO/CeO2納米復(fù)合改性氧化銦錫（ITO）的非酶葡萄糖生物傳感器，如圖5（c）所示。Cu-ONPs 主導(dǎo)葡萄糖的氧化還原反應(yīng)，而CeO2NPs 則可加速電極的電子轉(zhuǎn)移。結(jié)果表明，CuO/CeO2納米復(fù)合生物傳感器具有2.77 μA·（mmol/L）-1·cm-2的極好靈敏度，估計(jì)的檢測(cè)極限為10 μmol/L，該傳感器對(duì)葡萄糖表現(xiàn)出較好的選擇性及穩(wěn)定性。2018 年，Su等［80］基于在GCE 電極表面修飾Au@Cu2O 納米復(fù)合材料，開發(fā)了一種新型靈敏的非酶葡萄糖傳感器（Au@Cu2O/Nafion/GCE）。結(jié)果表明，與Cu2O/Nafion/GCE 和Au/Nafion/GCE 電極相比，Au@Cu2O/Nafion/GCE 電極在堿性介質(zhì)（pH=12.6）中對(duì)葡萄糖氧化的電催化活性增強(qiáng)；在優(yōu)化條件下，電化學(xué)傳感器在0.05~2.0 mmol/L 葡萄糖濃度范圍內(nèi)具有線性相關(guān)性，靈敏度為715 mA·（mmol/L）-1·cm-2，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和選擇性。2020 年，Qian 等［81］提出了一種新型的非酶電化學(xué)葡萄糖檢測(cè)器，由ZnO NPs 修飾的CeO2晶須組成。通過CV 和DPV 對(duì)ZnOCeO2葡萄糖傳感器進(jìn)行了電化學(xué)分析，其電位窗口為0~1 V。結(jié)果表明，該納米復(fù)合材料檢測(cè)葡萄糖線性范圍為0.5~300 μmol/L，LOD 為0.224 μmol/L，DPV 結(jié)果顯示電流信號(hào)強(qiáng)度和葡萄糖濃度之間的良好線性關(guān)系（R2=0.99944）。

2019 年，Bhardwaj 等［82］利用（Ni，Co，F(xiàn)e）-tin 氧化物納米復(fù)合傳感電極制造了一種基于混合電位的傳感器，用于檢測(cè)NO2氣體。結(jié)果表明，該傳感器在650 ℃的工作溫度下對(duì)NO2的檢測(cè)表現(xiàn)出良好的傳感特性、44 mV/dec 的高靈敏度、21 s 的快速響應(yīng)、58 s 動(dòng)態(tài)恢復(fù)以及對(duì)NO2表現(xiàn)出出色的重復(fù)性和選擇性。2019 年，Annalakshmi 等［83］研究了一種使用三金屬NiFeCo（NFC）納米球作為優(yōu)異電催化劑的電化學(xué)傳感器，用于檢測(cè)肼（HY）。研究發(fā)現(xiàn)，納米粒子排列成均勻的球形且沒有任何團(tuán)聚，由于低阻抗、納米球狀結(jié)構(gòu)和金屬納米粒子之間的協(xié)同效應(yīng)，NFC 制造的電極對(duì)HY 表現(xiàn)出極好的電化學(xué)傳感性能。該電化學(xué)傳感器具有低LOD（6.4 nmol/L）、寬動(dòng)態(tài)范圍（0.020~3080 μmol/L）和快速響應(yīng)時(shí)間（2 s）。過渡金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)使電化學(xué)傳感器得到了更加廣泛的應(yīng)用，提高了電化學(xué)傳感速率與靈敏度。與單金屬相比，雙、三金屬合金由于金屬的協(xié)同效應(yīng)具有更高的比表面積，能夠顯著改善電催化性能，并且多價(jià)金屬的存在可以適度地降低活化能使物質(zhì)傳遞更加快速。

2.2 碳基納米材料

碳基納米結(jié)構(gòu)因其具有導(dǎo)電性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、比表面積大、碳來源豐富的優(yōu)點(diǎn)，已作為一類修飾電極材料受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，并在電化學(xué)傳感方面取得了豐碩的成果。常見的碳結(jié)構(gòu)分為碳量子點(diǎn)（CQDs）、石墨烯（GA）、氧化石墨烯（GO）、還原氧化石墨烯（rGO）、石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）等，因其結(jié)構(gòu)多樣性也常與其他金屬基材料進(jìn)行復(fù)合，使其同時(shí)具備多種材料的特殊性能。

2.2.1 碳

近年來，碳納米結(jié)構(gòu)成為了學(xué)者們研究電化學(xué)傳感的熱點(diǎn)。2017 年，Li 等［84］使用組氨酸功能化GQDs-石墨烯微氣凝膠（His-GQD-GMA）伏安傳感器測(cè)定DA。研究表明，基于His-GQD-GMA 的傳感器對(duì)DA的電化學(xué)檢測(cè)具有超高的靈敏度，其DPV 信號(hào)在1.0×10-9~8.0×10-5mol/L 的范圍內(nèi)隨著DA 的增加線性增加，檢測(cè)極限為2.9×10-10mol/L（S/N=3）。2020 年，Huang 等［85］制備了基于GQDs-MWCTNS 的用于檢測(cè)DA 的超靈敏電化學(xué)傳感器，如圖6（a）所示。結(jié)果表明，該傳感器在其他干擾生物分析物中具有對(duì)DA 的出色選擇性。在最佳條件下，該傳感器在0.005~100 μmol/L 的寬線性范圍表現(xiàn)出良好的線性，LOD 為0.87 nmol/L（S/N=3）。2021 年，Zhao等［86］報(bào)道了一種簡單高效的埃洛石納米管（Hal）/MWCNTs 納米復(fù)合材料（Hal-MWCNTs）的電化學(xué)傳感器，用于測(cè)定甲基對(duì)硫磷（MP）。由于Hal 和MWCNTs 的協(xié)同作用，制造的具有Hal 和MWCNTs的GCE 傳感器對(duì)MP 測(cè)定顯示出優(yōu)異的性能。結(jié)果表明，該傳感器在0.5~11 μmol/L 的線性范圍內(nèi)顯示出相對(duì)較低的0.034 μmol/L 的檢測(cè)極限且具有較好的標(biāo)準(zhǔn)偏差（2.46%~3.08%）與回收率（98.8%~101.8%）。碳納米結(jié)構(gòu)因其自身優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，提高了電化學(xué)傳感的靈敏度與LOD。

圖6 碳基傳感材料（a）基于GQDs-MWCTNS 的用于檢測(cè)DA 的超靈敏電化學(xué)傳感器[85]；（b）基于MWCNTs 和GO 的Pt CNC 納米復(fù)合材料修飾電化學(xué)傳感器電極[88]；（c）CuO NPs 修飾的CNT 纖維柔性電極[92]；（d）Pt-Ag/Gr 納米復(fù)合改性電極[94]Fig.6 Carbon-based sensing materials（a）ultrasensitive electrochemical sensor based on GQDs-MWCTNS for detecting DA[85];（b）Pt CNC nanocomposites based on MWCNTs and GO modified electrochemical sensor electrodes[88];（c）CuO NPs modified carbon nanotube fiber flexible electrode[92];（d）Pt-Ag/GA nanocomposite modified electrode[94]

2.2.2 碳與貴金屬

單一的碳納米結(jié)構(gòu)存在一定的局限性，研究者通過將碳納米結(jié)構(gòu)與貴金屬材料進(jìn)行復(fù)合，使其具備所需的特殊性能。2017 年，Kangkamano 等［87］使用AuNPs修飾MWCNTs 和殼聚糖（CS）冷凍凝膠的組合制備了具有高靈敏度和穩(wěn)定性的電化學(xué)非酶?jìng)鞲衅鳌＝Y(jié)果顯示該傳感器的線性范圍為0.001~1.0 mmol/L，具有低LOD 和高穩(wěn)定性，并且對(duì)血液樣本中常見的生理水平干擾沒有影響。2018 年，Mo 等［88］利用AuNPs 和GO 改性的GCE 制備了一種高靈敏度的亞硝酸鹽（NO-2）電化學(xué)傳感器，如圖6（b）所示。結(jié)果表明，該傳感器在0.1 mol/L 磷酸鹽緩沖液（PBS）（pH=5.0）中對(duì)NO-2具有較好的電催化活性。在0.9~18.9 μmol/L 范圍內(nèi)，氧化峰電流與NO-2濃度呈正相關(guān)，LOD 為0.3 μmol/L。此外，還研究了一些常見離子和亞硫酸鈉、AA 等可氧化化合物對(duì)亞硝酸鹽檢測(cè)的干擾作用。結(jié)果表明，該傳感器對(duì)NO2-更為敏感和選擇性。2020 年，Low 等［89］研究了一種基于智能手機(jī)的生物傳感系統(tǒng)，用于電化學(xué)檢測(cè)唾液中循環(huán)的microRNA-21（miR-21）生物標(biāo)志物。該生物傳感器由rGO/Au 復(fù)合材料改性而成。miR-21 靶和ssDNA 探針在rGO/Au 修飾電極上的雜交導(dǎo)致峰值電流隨miR-21 靶濃度的增加而降低。結(jié)果表明，生物傳感系統(tǒng)在1.0×10-4~1.0×10-12mol/L 的濃度范圍內(nèi)檢測(cè)miR-21 表現(xiàn)出與商用電化學(xué)工作站相當(dāng)?shù)男阅埽≧2=0.99）。碳與貴金屬納米復(fù)合材料因其之間的相互作用、物理化學(xué)性質(zhì)等，在電化學(xué)傳感中展現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能，具有良好的發(fā)展前景。

2.2.3 碳與過渡金屬

2019 年，Chen 等［90］報(bào)道了一種CuO NPs 修飾的功能化多壁碳納米管（f-MWCNTs）組成的超活性電催化劑，如圖6（c）所示。高活性CuONPs 和高導(dǎo)電性f-MWCNTs 薄膜的快速檢測(cè)結(jié)合，使該納米雜化物對(duì)麻醉藥物表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。CuONPs@f-MWCNTs 薄膜修飾的SPCE 表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)活性、良好的重現(xiàn)性、0.05~346.6 μmol/L 寬線性范圍和納摩爾級(jí)的FTM 檢測(cè)極限。2021 年，Zhong 等［91］使用MXene@Ag 納米簇（NC）和氨基官能化多壁碳納米管（MXene@AgNCs/NH2-MWCNTs）研究了一種用于多菌靈（CBZ）檢測(cè)的新型比率電化學(xué)傳感器。研究發(fā)現(xiàn)，NH2-MWCNTs 的引入可以進(jìn)一步改善CBZ和Ag 的電化學(xué)信號(hào)，從而增強(qiáng)信號(hào)放大和更高的靈敏度，該傳感器在0.3 nmol/L~10 μmol/L 范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，檢測(cè)限為0.1 nmol/L。2023年，Muqaddas 等［92］通過無黏合劑的電沉積法在碳納米管（CNT）纖維表面沉積CuONPs，由于CuONPs 的電催化活性以及CNT 纖維優(yōu)異導(dǎo)電性的協(xié)同作用，該電極對(duì)葡萄糖表現(xiàn)出3000 μA·（mmol/L）-1·cm-2的優(yōu)異靈敏度、1.4 μmol/L的低檢測(cè)限以及高達(dá)13 mmol/L的寬線性范圍。將碳材料與過渡金屬進(jìn)行復(fù)合，能夠提高所修飾電極的靈敏度以及生物活性。

2.2.4 碳與貴金屬、過渡金屬

近年來，將碳材料與金屬過渡金屬復(fù)合是學(xué)者們研究電化學(xué)傳感的熱門方向。2019 年，Ayranci 等［93］報(bào)道了一種用于檢測(cè)葡萄糖的電化學(xué)非酶?jìng)鞲衅?，該傳感器基于超聲氫氧化物輔助還原方法合成的rGO上修飾的單分散Pt/Ni 納米復(fù)合材料修飾的電極（Pt/Ni@rGO）。這種基于Pt/Ni@rGO 納米復(fù)合材料的單分散電極在堿性溶液中對(duì)葡萄糖的電催化氧化表現(xiàn)出高電化學(xué)活性。安培分析顯示葡萄糖靈敏度為171.92 μA·（mmol/L）-1·cm-2、LOD 為6.3 μmol/L、線性范圍為0.02~5.0 mmol/L，具有高選擇性、長期穩(wěn)定性和良好的重現(xiàn)性。2020 年，Anuar 等［94］制備了一種Pt-Ag/Gr 納米復(fù)合改性電極，用于DA 的電化學(xué)檢測(cè)，如圖6（d）所示。由于Pt-Ag NPs 與GA 之間的協(xié)同作用，Pt-Ag/Gr/GCE 增強(qiáng)了對(duì)DA 氧化的電催化活性。結(jié)果表明，改進(jìn)后的傳感器檢測(cè)范圍在0.10~60 mmol/L 之間，LOD 為0.012 mmol/L。Pt-Ag/Gr/GCE 在重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和選擇性方面均有令人滿意的效果。2020 年，Karimi-Maleh 等［95］報(bào)道了Pd-Ni@f-MWCNT 的合成并將其用作非酶電化學(xué)葡萄糖傳感器。結(jié)果表明，制備的電極對(duì)葡萄糖氧化成葡萄糖酸內(nèi)酯表現(xiàn)出高的電催化活性，顯示了0.01~1.4 mmol/L 的寬線性范圍、0.026 μmol/L 的極低LOD、71 μA·（mmol/L）-1·cm-2的極高靈敏度以及對(duì)樣品分析的良好再現(xiàn)性、高穩(wěn)定性和適用性。

綜上所述，金屬基和碳基納米結(jié)構(gòu)由于其高比表面積、多活性位點(diǎn)等自身優(yōu)異特性在電化學(xué)汗液傳感中展現(xiàn)出巨大潛力，將其進(jìn)行復(fù)合不僅能表現(xiàn)出單一納米結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，更展現(xiàn)了復(fù)合材料的特有性能。功能化納米結(jié)構(gòu)提高了電化學(xué)傳感器靈敏度、穩(wěn)定性、選擇性等問題，但可能會(huì)對(duì)納米結(jié)構(gòu)與電極之間粘連的牢固性產(chǎn)生影響。因此，對(duì)于納米結(jié)構(gòu)的合成和功能化及其在汗液傳感中的應(yīng)用機(jī)理還需要更多研究。

3 結(jié)束語

汗液傳感器作為新一代可穿戴傳感器，可實(shí)現(xiàn)物理參數(shù)和生化標(biāo)記的多模態(tài)實(shí)時(shí)、無創(chuàng)、非侵入式檢測(cè)，有望成為一種革命性的診斷技術(shù)。盡管用于實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)的可穿戴柔性電化學(xué)汗液傳感器取得了重大進(jìn)展，但在其實(shí)際使用之前，必須解決由于人體日常狀態(tài)下的汗液微量，收集能力弱，難以滿足檢測(cè)需求等問題；同時(shí)多參數(shù)間校準(zhǔn)及與血液間缺乏進(jìn)一步相關(guān)性研究，是限制可穿戴汗液傳感進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。探明微量汗液收集機(jī)制，引入仿生微流控技術(shù)、優(yōu)化親疏水結(jié)構(gòu)，將有效提高傳感器的汗液采集與收集能力、降低新舊汗液堆積以及汗液蒸發(fā)引起的不準(zhǔn)確性。此外，深入分析pH 和溫度對(duì)其他模態(tài)生化參數(shù)的影響機(jī)制，結(jié)合汗液中多模態(tài)生化標(biāo)記進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，深入研究汗液與血液中各生理指標(biāo)之間的相關(guān)性，提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度，將推動(dòng)汗液傳感器分子水平上對(duì)人體各生理特征參數(shù)有效、實(shí)時(shí)電化學(xué)監(jiān)測(cè)。近年來，非侵入式汗液傳感器逐步向著便攜式、無創(chuàng)化、微型化、集成化、智能化的趨勢(shì)發(fā)展，在慢性疾病監(jiān)測(cè)、重大疾病預(yù)警、遠(yuǎn)程化醫(yī)療等方面具有重大發(fā)展前景。