可穿戴柔性电化学汗液传感器的研究进展与展望
本文是由Fupeng Gao、Chunxiu Liu等来自中国科学院大学电子、电气与通信工程学院以及航天信息研究所（AIR）等多家机构的科研团队合作撰写的综述文章，发表于2023年的*Microsystems & Nanoengineering*期刊（卷9，第1期）。文章系统回顾了可穿戴柔性电化学汗液传感器的最新进展，并探讨了该领域未来的发展方向。
汗液作为生物标志物载体的优势
汗液作为一种非侵入性生物样本，具有显著的检测优势：
1. 生理信息丰富：汗液包含电解质（如钠、钾、氯）、代谢物（如葡萄糖、乳酸）、微量元素（如锌、铜）和小分子（如皮质醇、尿酸），能够反映人体代谢状态和疾病标志物。
2. 与血液相关性：部分汗液分析物（如葡萄糖、乙醇）的浓度与血液中水平高度相关，为无创血液监测提供了替代方案。
3. 采集便捷性：汗腺分布广泛，可通过运动或电刺激（如离子电渗疗法iontophoresis）主动诱导汗液分泌。
与其他生物流体（如血液、唾液、泪液）相比，汗液采集无需侵入性操作，更适合长期连续监测。
汗液传感器的核心组件与技术进展
1. 汗液刺激与采集技术
- 被动刺激：通过运动诱导汗液分泌，但受限于个体差异和环境条件。
- 主动刺激：离子电渗疗法通过电流递送激动剂（如毛果芸香碱pilocarpine）刺激汗腺，适用于静息状态下的汗液采集。改进的“hex wick”材料和微流体通道设计可减少样本污染和蒸发。
- 微流体装置：利用毛细力、渗透压或蒸发驱动汗液流动，实现高效采样。例如，激光雕刻（CO₂ laser engraving）技术可快速制备微流体图案，降低成本并支持大规模生产。
2. 电化学检测方法
- 电位分析法（Potentiometry）：用于电解质（如Na⁺、K⁺）和pH值检测，通过离子选择性电极（ISE）实现高选择性测量。
- 电流分析法（Amperometry）：基于氧化还原反应（如葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化），适用于代谢物（如乳酸、乙醇）的实时监测。
- 伏安法（Voltammetry）：包括方波阳极溶出伏安法（SWASV），可同时检测多种痕量金属（如锌、铜）。
3. 材料与电子组件
- 柔性基底：常用聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚氨酯（PU）等聚合物，或纺织物、纸张等透气材料。
- 电极材料：石墨烯（graphene）和MXene（如Ti₃C₂Tₓ）因其高导电性和大比表面积，提升了传感器灵敏度。
- 无线传输与供电：蓝牙低功耗（BLE）和近场通信（NFC）实现数据传输；自供电系统（如生物燃料电池BFC、摩擦纳米发电机TENG）解决能源问题。
典型传感器应用与里程碑研究
代谢物与电解质监测：
- 2013年，Joseph Wang团队开发首个“纹身式”乳酸传感器，采用乳酸氧化酶修饰电极，通过电流法实现实时检测。
- 2016年，Javey团队提出首个全集成多路传感阵列（FISA），可同时检测钠、钾、葡萄糖和乳酸，并集成信号处理电路。
重金属与药物检测：
- 2015年，首个可穿戴痕量金属传感器利用SWASV技术检测汗液中的锌。
- 2018年，基于差分脉冲伏安法（DPV）的咖啡因传感器通过卷对卷印刷（roll-to-roll printing）实现量产。
激素与小分子检测：
- 分子印迹聚合物（MIP）技术用于皮质醇检测，克服了传统抗体传感器的稳定性问题。
未来挑战与发展方向
- 集成化与多功能化：结合机器学习算法，开发多模态传感器（如同时监测汗液、组织液和生理信号）。
- 可靠性提升：需解决汗液分泌率对分析物浓度的影响，以及皮肤污染对样本的干扰。
- 低浓度分析物检测：改进微流体设计和MIP传感器，以检测汗液中的低丰度标志物（如细胞因子）。
- 能源优化：开发高效能量采集系统（如太阳能-生物燃料电池混合供电）。
论文价值与亮点
- 全面性：系统总结了汗液传感器的设计原理、技术瓶颈和解决方案。
- 前瞻性：提出将汗液分析应用于疾病诊断（如囊性纤维化、糖尿病）和个性化健康管理的潜力。
- 创新性：重点介绍了自供电、柔性材料和微流体技术的前沿进展。
本文为可穿戴汗液传感器的研发提供了重要参考，推动了无创健康监测技术的实用化进程。