综述文章！基于汗液的可穿戴传感器最新研究进展

随着医疗诊断技术的发展，可穿戴生物传感器的领域正在增长，它为当前的医疗问题提供了创新的解决方案。近年来，可穿戴电子设备迅速发展，通过对生物流体中的生化标记物的动态、无创测量，提供连续、实时的生理信息，可准确测量心率、体温和血压等生命体征，帮助描述和监测个人健康状况。生物流体（如汗液、眼泪、唾液或组织液）因其易于取样而成为分析物，并显示出通过了解人体更深层次的生物分子状态提供连续、实时生理信息的潜力。

与其他生物流体相比，汗液中含有丰富的分析物，这些分析物可以传递身体的生理信息，并与血液水平密切相关，在可穿戴传感方面具有巨大优势。自2013年首次提出用于实时分析乳酸的可穿戴式汗液传感器以来，已经陆续实现了对汗液中电解质、代谢产物、药物、微量元素等的监测。

近日，一组来自中国的研究团队在杂志Microsystems & Nanoengineering上发表了一篇题为“Wearable and flexible electrochemical sensors for sweat analysis: a review”的综述文章。文章综述了可穿戴电化学汗液传感器的最新进展。首先总结了汗液用于可穿戴式汗液传感的优势，介绍了汗液中反映人体生理信息的各种分析物，并强调了汗液刺激和收集的方法。第二，展示了可穿戴电化学汗液传感器的组件。第三，介绍了一些典型的传感装置，这些装置在不同分析物的可穿戴电化学汗液传感器的发展史上具有重要意义。最后总结了可穿戴式汗液传感器的未来挑战和可能的发展方向。可穿戴电化学汗液传感器在生物医学传感方面具有巨大的优势和潜力。

图片来源：Microsystems & Nanoengineering

几种候选生物流体（血液、尿液、泪液以及唾液）在可穿戴传感方面都有局限性。与其他生物流体相比，汗液在可穿戴传感方面具有巨大优势。汗液含有丰富的物质，可以在分子水平上指示身体的健康状态，并以无创方式获取汗液，这是连续监测的理想选择。

汗液中含有丰富的生物标志物：电解质（如钠——脱水及电解质失衡、钾——脱水及肌肉痉挛、氯化物——囊性纤维化、铵——有氧向无氧过渡中的变化、钙——骨髓瘤、酸碱平衡紊乱、肝硬化、肾衰竭）、代谢产物（如葡萄糖——糖尿病、乳酸——组织活力、尿酸——肾脏疾病及痛风）、微量元素（如铁、锌——身体压力和免疫系统引起的肌肉损伤、铜——类风湿关节炎、威尔逊病和肝硬化）、小分子（如皮质醇——压力、尿素、酪氨酸——代谢紊乱）、神经肽——抑郁症和细胞因子——胰岛素活性及癌症治疗中的免疫反应。（如下表）。

汗液和相关健康状况的关键分析物。图片来源：Microsystems & Nanoengineering

汗液样本可以通过两种方法获得：被动方法和主动方法。在被动方法中，人们通过跑步、骑自行车或进行其他体育锻炼等方式进行剧烈运动，以诱导充足的汗液分泌。离子电渗法是一种广泛使用的主动汗液诱导方法，允许在身体静止时采集汗液样本。如图a所示，通过在离子电渗电极之间施加电压，在皮肤表面下产生电流，使激动剂在阳极处被输送到汗腺，并刺激汗液分泌。该方法已用于监测氯化物、乙醇和葡萄糖的水平。

与单一生物流体监测相比，同时分析汗液和ISF可以扩大检测生物标志物的范围，提高临床准确性。图c显示了一项研究，成功地实现了汗液中酒精和ISF中葡萄糖的同时检测，扩大了可检测生物标志物的范围并提高检测结果的准确性。

基于离子电渗的可穿戴式汗液传感器的示例。图片来源：Microsystems & Nanoengineering

有两种方法可以采集汗液样本。一种方法是使用一次性纱布、吸收垫、手臂袋和手套来吸汗。一些商业的汗液收集装置将皮肤产生的汗液导入密封室。一种有前途的方法是将产生的汗液通过微流体管引导到储液器中，用于样品存储和分析。除了将汗腺本身用作驱动流体的压力源之外，毛细管力、渗透压和蒸发泵都可以激活汗液输送。毛细管力促进汗液沿着微流体通道流动（图a）。水凝胶和汗液之间存在渗透压差，因此流体被泵入微通道（图c）。此外，通过在微流体芯片的出口处设计微孔，蒸发驱动微泵可以有效地实现汗液的连续流动。通过改变微孔的数量或形状可以容易地控制流速（图d）。

微流体汗液传感器的示例。图片来源：Microsystems & Nanoengineering

材料选择：可穿戴汗液传感器的基本材料要求是符合皮肤的几何形状，这需要在保持理想的电化学和机械稳定性的同时满足灵活性和可拉伸性。目前，柔性传感器常用的材料是织物、纸张、柔性聚合物和塑料（如下图）。

传统的柔性基材目前主要由聚合物组成，例如PET、PI、PDMS、PU和PMMA。然而，这些基质和表皮之间的不匹配导至汗液积聚，使测试结果不准确。它们的透气性和拉伸性也很差，因此只能在短时间内用于皮肤。

基于织物的平台为底层皮肤提供自然透气性，促进自然出汗和蒸发冷却，并且具有高度的柔韧性、柔软性和舒适性。纸张也是一种理想的基材，具有成本低、易于制备、良好的生物相容性和亲水性的固有芯吸能力等优异性能。通过亲水性和疏水性材料改性、蜡染、喷墨打印和光刻，可以相对容易地在纸基设备中生成自吸汗微流体通道。此外，石墨烯由于其快速的电子迁移率、高电流密度和大表面积而在电化学传感中具有诱人的应用。丝绸衍生的碳纤维织物作为可穿戴电化学传感器的工作电极具有很好的前景。

由不同材料制成的可穿戴汗液传感器示例。图片来源：Microsystems & Nanoengineering

电源组件：就实用性而言，可穿戴设备需要长时间连续运行的能力。因此，降低功耗和开发高效的可穿戴能源系统是可穿戴设备的主要考虑因素。当前可穿戴能源分为两大类：锂离子电池和能量采集设备。

为了满足可穿戴电子设备不断增长的电力需求，可穿戴系统集成了太阳能电池、摩擦电纳米发电机（TENG）和微生物生物燃料电池（BFC）等能量收集设备，以实现自我可持续运行。下图a显示了一款智能手表，使用柔性光伏电池进行能量收集/转换，并使用柔性锌锰电池作为能量存储设备，在没有外部充电设施的情况下连续监测汗液葡萄糖水平。BFCs可以将生物流体中存在的葡萄糖、乳酸、尿酸和乙醇等分子转化为能量，为可穿戴式汗液传感器提供动力。下图c显示了乳酸燃料电池最近已成功地集成到多模态可穿戴汗液传感器中。TENG通过感应和摩擦电效应的耦合将人类运动产生的机械能转换为电能，可以在密集的体力活动中为可穿戴的汗液传感器供电，如图d所示。

自供电传感器示例。图片来源：Microsystems & Nanoengineering

作者还在文中详细列举了电解质和代谢产物的检测、重金属和毒品检测、其他目标检测的典型例子，感兴趣的同学可以自行下载文章参考，在此不赘述。

经过多年的发展，柔性可穿戴电化学汗液传感器已经取得了巨大的进展。皮肤界面微流体、柔性可拉伸材料、自供电技术和多路传感模式的研究正在推动可穿戴电化学汗液传感器的发展。然而，必须进一步开发可穿戴电化学汗液传感的许多方面，以推进该领域并实现个性化、智能化医疗：

走向综合、多功能排汗分析：在可穿戴电化学传感器的集成方面取得了巨大进展。现已转向对广泛生物标志物的同时无创监测。在未来，传感器无疑将更加集成和智能。一方面，可以将更多功能集成到感测装置中。基于机器学习或深度学习的高级大数据处理算法模块将集成到传感器中，以实现对收集数据的快速和准确分析。另一方面，可以进一步开发集成化学、电生理和物理传感器的多模态可穿戴传感器，以将多种传感模式集成到单个传感平台中，全面监测人体生理信息。

提高汗液样本的可靠性：在汗液中成功实现可靠和准确的实时监测，还需要解决几个关键挑战。首先，汗液传感器需要同时监测出汗率，识别和补偿出汗率的影响，并全面了解生物标志物分布机制及其对出汗率的依赖性。汗液分泌速率因个人或环境而异。理想的可穿戴传感器必须具有良好的适应性，以满足不同出汗率下的检测需求。第二，穿戴式汗液传感器理想情况下应该能够根据需要选择不同的汗液样本采集方法。使用不同方法获得的汗液样品的成分可能不同。第三，应采取措施尽量减少测试过程中汗液成分的变化。最后，汗液样本的污染是一个亟待解决的问题。将汗液与皮肤表面隔离对于防止这些干扰化学物质影响传感器读数至关重要。

高效能源利用装置的开发：整合能源收集设备和寻找可持续的替代能源是一种很有前途的方法。从太阳能、身体运动和人体生物流体中获取能量已经成功实施。将多个能量收集设备集成到同一平台中，并使用高效的能量存储和控制将有助于改善能源供应。同时，除了寻找替代能源，还可以研究一些节能解决方案。

用于检测汗液中的低浓度分析物：汗液含有丰富的其他成分，包括激素、蛋白质和肽。这些分析物的浓度很低，并且可以被包括pH和温度在内的因素改变。需要高度灵敏的可穿戴传感器，其能够通过有效的传感模式监测汗液中的低浓度分析物。通过有效控制微流体通道内的汗液，微流体装置允许在低浓度条件下快速准确地检测分析物。基于MIP的电化学传感器被设计为通过目标分析物的高度选择性结合来实现灵敏的监测。汗液中皮质醇的检测已经实现，未来同样的技术可以扩展到检测其他激素和生物标志物。对这些分子的测量技术和传感器平台的改进将使检测能力扩展到一类新的生理相关分析物，为深入了解人体生理健康状况提供额外的选择。

安静环境中汗液刺激和收集的改进方法：开发在安静环境中诱导汗液分泌的方法对于疾病检测等应用至关重要。离子电渗方法已显示出前景，但不能用于连续监测。需要进一步开发具有降低的电流密度要求的高度小型化传感器，该传感器可以在低分泌率下工作。这也可以通过开发生物标志物提取的替代技术来解决。

此外，身体在休息或热刺激环境中的自然出汗可能为身体生理学提供独特的见解。静息汗液分泌速率可能反映潜在健康状况引起的交感神经系统活动。休息时出汗增加或减少将进一步表明自主神经功能障碍、糖尿病、脑血管病、帕金森氏病、慢性心理压力、焦虑或疼痛。利用亲水材料的改进的微流体装置或许可以解决这个问题；未来需要制定更有效的解决方案。