柔性可穿戴傳感器在汗液監(jiān)測中的應用綜述

1、柔性可穿戴傳感器在汗液監(jiān)測中的應用綜述摘要介紹了柔性可穿戴傳感器應用于汗液監(jiān)測的優(yōu)勢，綜述了柔性可穿戴傳感器在監(jiān)測汗液中的葡萄糖、乳酸、 pH值及多種標志物中的研究進展，分析了柔性可穿戴汗液傳感器目前存在的不足和局限性，指出了未來柔性可穿 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。關鍵詞柔性可穿戴傳感器；汗液監(jiān)測；汗液；生物傳感器；可穿戴設備Application of flexible wearable sensors in sweat monitoringAbstn% The advantages of flexible wearable sensors for swea

2、t monitoring were introduced, and the research progress of flexible wearable sensors in monitoring glucose, lactic acid, pH and other markers in sweat was summarized. The deficiencies of flexible wearable sensors were analyzed, then its pointed out flexible wearable sensors tended to be low-cost, ea

3、sy - to - make, high-selectivity and high-sensitivity.Key words flexible wearable sensor; sweat monitoring; sweat; biosensor; wearable device0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1-7o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 電解質和代謝產物閆;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

4、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 糖等成心。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。化學傳感器 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

5、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

6、進展，并進一步討論柔性可穿戴汗液傳感器） 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2,200。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 方式乳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3啟。由于汗液中 葡萄糖的水平

7、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Xiao等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

8、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0.10.5 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等兩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)

9、 / 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(polydi- meth-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(b)所示。 與織物集成的WSNF葡萄糖傳感器可以

10、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等閏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(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，

11、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 方法四。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等何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

12、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。Zhang等網開發(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。首先將餓絡合物(酶 和電極之間的電子介體)固定在柔性印刷的碳電極(a)可穿戴比色傳感器(b)非酶電化學傳感器貼片網()微流體集成葡萄糖傳感器貼片閔圖1

13、可穿戴汗液葡萄糖傳感器(a)可穿戴比色傳感器(b)非酶電化學傳感器貼片網()微流體集成葡萄糖傳感器貼片閔圖1可穿戴汗液葡萄糖傳感器Nagamine等閔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(液(Dulbecco?s phosphate-buffered saline, DPBS)。當人體皮膚與瓊脂糖凝膠接觸時，汗液

14、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。與Juno(b)戴在眼鏡上的汗液乳酸傳感器啊Human skinTime (s)(與Juno(b)戴在眼鏡上的汗液乳酸傳感器啊Human skinTime (s)(6)貼在皮膚上的汗液乳酸傳感器笆PerspirationL-lactate sensor Reference electrode electrode(C)基于水凝膠的乳酸觸摸傳感器。圖2可穿戴汗液乳酸傳感

15、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值的異常可以指示某些疾病的發(fā)生。例如，患有2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)生網。Nyein等閩開發(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Ca!7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

16、降低而增加。該平臺 可用于對汗液中Ca!7和pH值進行無創(chuàng)連續(xù)分析，以 診斷疾病。Hou等啊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(polyure- thane，PU)通過同軸靜電紡絲技術結合起來，研制出 了 PAH/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y環(huán)消失，重新分布電子云。氮原 子上正電荷的離域形成共Z結構，使傳感器具有良(a)同時無創(chuàng)監(jiān)測Ca27和pH值的可穿戴電化學

17、平臺網MicroemulsionCyclohexaneCore-Shell FibersConxial Electrospinning01020Time (s)(b)同軸電紡柔性PANI/PU纖維高靈敏度Conxial Electrospinning01020Time (s)(b)同軸電紡柔性PANI/PU纖維高靈敏度pH值汗液傳感器啊Detect pH in BufferSO TOOTime ()Dctvct pH uf SweatSkin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)

18、現該傳感器具有較高的檢測靈敏度和穩(wěn) 定性，在pH值27的范圍內電信號與pH值呈線性 關系，靈敏度為-60 mV/pH，Detect pH in BufferSO TOOTime ()Dctvct pH uf SweatSkin4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50a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國刊。Gao等網提出了一種基于柔性聚對苯二甲酸乙 二醇酯(polyethylene terephthalate，

19、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)、。2等離子體刻蝕等67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。mV/pHHe等報道了一種基

20、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、NaP和K7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。mV/pHLu等制造了帶有微型超級電容器(micro-su- percapacitor , MSC)

21、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)由基于鉆 酸(NiC2=4)/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NiCo2=4的MSC 組成。作為傳感器陣列的電源，制成的基于NiC2=4的 MSC在電源功率密度為0.09 mW/cm!的情況下顯示 出出色的電化學性能，能量密度為0.64 !W/cm!。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

22、在應用 前景。(a)可穿戴腕帶(b)可穿戴貼片(。)可穿戴超級電容器圖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