理想的醫療保健系統會在疾病發作前提供健康狀況監測和治療。當患者表現出不理想的健康狀況時，系統將能夠檢測并解決問題。因此，迫切需要一種方法，使個人能夠在不需要昂貴設備或訓練有素的專業人員參與的情況下監測自己，以便及早發現和及時管理疾病。

隨著醫療診斷技術的發展，可穿戴生物傳感器的領域正在增長，它為當前的醫療問題提供了創新的解決方案。近年來，可穿戴電子設備迅速發展，通過對生物流體中的生化標記物的動態、無創測量，提供連續、實時的生理信息，可準確測量心率、體溫和血壓等生命體征，幫助描述和監測個人健康狀況。生物流體（如汗液、眼淚、唾液或組織液）因其易于取樣而成為分析物，并顯示出通過了解人體更深層次的生物分子狀態提供連續、實時生理信息的潛力。

與其他生物流體相比，汗液中含有豐富的分析物，這些分析物可以傳遞身體的生理信息，并與血液水平密切相關，在可穿戴傳感方面具有巨大優勢。自2013年首次提出用于實時分析乳酸的可穿戴式汗液傳感器以來，已經陸續實現了對汗液中電解質、代謝產物、藥物、微量元素等的監測。

近日，一組來自中國的研究團隊在雜志Microsystems & Nanoengineering上發表了一篇題為“Wearable and flexible electrochemical sensors for sweat analysis: a review”的綜述文章。文章綜述了可穿戴電化學汗液傳感器的最新進展。首先總結了汗液用于可穿戴式汗液傳感的優勢，介紹了汗液中反映人體生理信息的各種分析物，并強調了汗液刺激和收集的方法。第二，展示了可穿戴電化學汗液傳感器的組件。第三，介紹了一些典型的傳感裝置，這些裝置在不同分析物的可穿戴電化學汗液傳感器的發展史上具有重要意義。最后總結了可穿戴式汗液傳感器的未來挑戰和可能的發展方向。可穿戴電化學汗液傳感器在生物醫學傳感方面具有巨大的優勢和潛力。

圖片來源：Microsystems & Nanoengineering

主要內容

汗液作為分析樣本的優勢

幾種候選生物流體（血液、尿液、淚液以及唾液）在可穿戴傳感方面都有局限性。與其他生物流體相比，汗液在可穿戴傳感方面具有巨大優勢。汗液含有豐富的物質，可以在分子水平上指示身體的健康狀態，并以無創方式獲取汗液，這是連續監測的理想選擇。

汗液中含有豐富的生物標志物：電解質（如鈉——脫水及電解質失衡、鉀——脫水及肌肉痙攣、氯化物——囊性纖維化、銨——有氧向無氧過渡中的變化、鈣——骨髓瘤、酸堿平衡紊亂、肝硬化、腎衰竭）、代謝產物（如葡萄糖——糖尿病、乳酸——組織活力、尿酸——腎臟疾病及痛風）、微量元素（如鐵、鋅——身體壓力和免疫系統引起的肌肉損傷、銅——類風濕關節炎、威爾遜病和肝硬化）、小分子（如皮質醇——壓力、尿素、酪氨酸——代謝紊亂）、神經肽——抑郁癥和細胞因子——胰島素活性及癌癥治療中的免疫反應。（如下表）。

汗液和相關健康狀況的關鍵分析物。圖片來源：Microsystems & Nanoengineering

汗液刺激

汗液樣本可以通過兩種方法獲得：被動方法和主動方法。在被動方法中，人們通過跑步、騎自行車或進行其他體育鍛煉等方式進行劇烈運動，以誘導充足的汗液分泌。離子電滲法是一種廣泛使用的主動汗液誘導方法，允許在身體靜止時采集汗液樣本。如圖a所示，通過在離子電滲電極之間施加電壓，在皮膚表面下產生電流，使激動劑在陽極處被輸送到汗腺，并刺激汗液分泌。該方法已用于監測氯化物、乙醇和葡萄糖的水平。

與單一生物流體監測相比，同時分析汗液和ISF可以擴大檢測生物標志物的范圍，提高臨床準確性。圖c顯示了一項研究，成功地實現了汗液中酒精和ISF中葡萄糖的同時檢測，擴大了可檢測生物標志物的范圍并提高檢測結果的準確性。

基于離子電滲的可穿戴式汗液傳感器的示例。圖片來源：Microsystems & Nanoengineering

汗液收集和微流體裝置

有兩種方法可以采集汗液樣本。一種方法是使用一次性紗布、吸收墊、手臂袋和手套來吸汗。一些商業的汗液收集裝置將皮膚產生的汗液導入密封室。一種有前途的方法是將產生的汗液通過微流體管引導到儲液器中，用于樣品存儲和分析。除了將汗腺本身用作驅動流體的壓力源之外，毛細管力、滲透壓和蒸發泵都可以激活汗液輸送。毛細管力促進汗液沿著微流體通道流動（圖a）。水凝膠和汗液之間存在滲透壓差，因此流體被泵入微通道（圖c）。此外，通過在微流體芯片的出口處設計微孔，蒸發驅動微泵可以有效地實現汗液的連續流動。通過改變微孔的數量或形狀可以容易地控制流速（圖d）。

微流體汗液傳感器的示例。圖片來源：Microsystems & Nanoengineering

電化學汗液傳感器組件

材料選擇：可穿戴汗液傳感器的基本材料要求是符合皮膚的幾何形狀，這需要在保持理想的電化學和機械穩定性的同時滿足靈活性和可拉伸性。目前，柔性傳感器常用的材料是織物、紙張、柔性聚合物和塑料（如下圖）。

傳統的柔性基材目前主要由聚合物組成，例如PET、PI、PDMS、PU和PMMA。然而，這些基質和表皮之間的不匹配導致汗液積聚，使測試結果不準確。它們的透氣性和拉伸性也很差，因此只能在短時間內用于皮膚。

基于織物的平臺為底層皮膚提供自然透氣性，促進自然出汗和蒸發冷卻，并且具有高度的柔韌性、柔軟性和舒適性。紙張也是一種理想的基材，具有成本低、易于制備、良好的生物相容性和親水性的固有芯吸能力等優異性能。通過親水性和疏水性材料改性、蠟染、噴墨打印和光刻，可以相對容易地在紙基設備中生成自吸汗微流體通道。此外，石墨烯由于其快速的電子遷移率、高電流密度和大表面積而在電化學傳感中具有誘人的應用。絲綢衍生的碳纖維織物作為可穿戴電化學傳感器的工作電極具有很好的前景。

由不同材料制成的可穿戴汗液傳感器示例。圖片來源：Microsystems & Nanoengineering

電源組件：就實用性而言，可穿戴設備需要長時間連續運行的能力。因此，降低功耗和開發高效的可穿戴能源系統是可穿戴設備的主要考慮因素。當前可穿戴能源分為兩大類：鋰離子電池和能量采集設備。

為了滿足可穿戴電子設備不斷增長的電力需求，可穿戴系統集成了太陽能電池、摩擦電納米發電機（TENG）和微生物生物燃料電池（BFC）等能量收集設備，以實現自我可持續運行。下圖a顯示了一款智能手表，使用柔性光伏電池進行能量收集/轉換，并使用柔性鋅錳電池作為能量存儲設備，在沒有外部充電設施的情況下連續監測汗液葡萄糖水平。BFCs可以將生物流體中存在的葡萄糖、乳酸、尿酸和乙醇等分子轉化為能量，為可穿戴式汗液傳感器提供動力。下圖c顯示了乳酸燃料電池最近已成功地集成到多模態可穿戴汗液傳感器中。TENG通過感應和摩擦電效應的耦合將人類運動產生的機械能轉換為電能，可以在密集的體力活動中為可穿戴的汗液傳感器供電，如圖d所示。

自供電傳感器示例。圖片來源：Microsystems & Nanoengineering

典型的可穿戴電化學汗液傳感器

作者還在文中詳細列舉了電解質和代謝產物的檢測、重金屬和毒品檢測、其他目標檢測的典型例子，感興趣的同學可以自行下載文章參考，在此不贅述。

結論和展望

經過多年的發展，柔性可穿戴電化學汗液傳感器已經取得了巨大的進展。皮膚界面微流體、柔性可拉伸材料、自供電技術和多路傳感模式的研究正在推動可穿戴電化學汗液傳感器的發展。然而，必須進一步開發可穿戴電化學汗液傳感的許多方面，以推進該領域并實現個性化、智能化醫療：

走向綜合、多功能排汗分析：在可穿戴電化學傳感器的集成方面取得了巨大進展?，F已轉向對廣泛生物標志物的同時無創監測。在未來，傳感器無疑將更加集成和智能。一方面，可以將更多功能集成到感測裝置中。基于機器學習或深度學習的高級大數據處理算法模塊將集成到傳感器中，以實現對收集數據的快速和準確分析。另一方面，可以進一步開發集成化學、電生理和物理傳感器的多模態可穿戴傳感器，以將多種傳感模式集成到單個傳感平臺中，全面監測人體生理信息。

提高汗液樣本的可靠性：在汗液中成功實現可靠和準確的實時監測，還需要解決幾個關鍵挑戰。首先，汗液傳感器需要同時監測出汗率，識別和補償出汗率的影響，并全面了解生物標志物分布機制及其對出汗率的依賴性。汗液分泌速率因個人或環境而異。理想的可穿戴傳感器必須具有良好的適應性，以滿足不同出汗率下的檢測需求。第二，穿戴式汗液傳感器理想情況下應該能夠根據需要選擇不同的汗液樣本采集方法。使用不同方法獲得的汗液樣品的成分可能不同。第三，應采取措施盡量減少測試過程中汗液成分的變化。最后，汗液樣本的污染是一個亟待解決的問題。將汗液與皮膚表面隔離對于防止這些干擾化學物質影響傳感器讀數至關重要。

高效能源利用裝置的開發：整合能源收集設備和尋找可持續的替代能源是一種很有前途的方法。從太陽能、身體運動和人體生物流體中獲取能量已經成功實施。將多個能量收集設備集成到同一平臺中，并使用高效的能量存儲和控制將有助于改善能源供應。同時，除了尋找替代能源，還可以研究一些節能解決方案。

用于檢測汗液中的低濃度分析物：汗液含有豐富的其他成分，包括激素、蛋白質和肽。這些分析物的濃度很低，并且可以被包括pH和溫度在內的因素改變。需要高度靈敏的可穿戴傳感器，其能夠通過有效的傳感模式監測汗液中的低濃度分析物。通過有效控制微流體通道內的汗液，微流體裝置允許在低濃度條件下快速準確地檢測分析物?；贛IP的電化學傳感器被設計為通過目標分析物的高度選擇性結合來實現靈敏的監測。汗液中皮質醇的檢測已經實現，未來同樣的技術可以擴展到檢測其他激素和生物標志物。對這些分子的測量技術和傳感器平臺的改進將使檢測能力擴展到一類新的生理相關分析物，為深入了解人體生理健康狀況提供額外的選擇。

安靜環境中汗液刺激和收集的改進方法：開發在安靜環境中誘導汗液分泌的方法對于疾病檢測等應用至關重要。離子電滲方法已顯示出前景，但不能用于連續監測。需要進一步開發具有降低的電流密度要求的高度小型化傳感器，該傳感器可以在低分泌率下工作。這也可以通過開發生物標志物提取的替代技術來解決。

此外，身體在休息或熱刺激環境中的自然出汗可能為身體生理學提供獨特的見解。靜息汗液分泌速率可能反映潛在健康狀況引起的交感神經系統活動。休息時出汗增加或減少將進一步表明自主神經功能障礙、糖尿病、腦血管病、帕金森氏病、慢性心理壓力、焦慮或疼痛。利用親水材料的改進的微流體裝置或許可以解決這個問題；未來需要制定更有效的解決方案。