作者及出版信息 本研究由东北师范大学（Northeast Normal University）化学学院、多酸与网状材料化学教育部重点实验室、吉林省高校纳米生物传感与纳米生物分析重点实验室及分析测试中心的Xinyi Pei、Mimi Sun、Jingjuan Wang、Jing Bai、Xiangjie Bo与Ming Zhou等人合作完成。论文发表于Wiley-VCH出版社旗下的学术期刊《Small》，于2022年在线发表。
学术背景 该研究属于可穿戴生物电子与生物传感交叉领域。当前，可穿戴传感器已能无创追踪脉搏、体温等生物物理信号，而监测汗液和伤口渗出液等表皮生物流体中的化学分子则能从分子层面揭示更深层的健康信息。这两种生物流体分别富含电解质、代谢物等生物标志物，其含量的波动可反映血液生理状态或伤口状况。现代可穿戴设备的最终目标是实现全集成（Fully Integrated），即在无需外部设备的情况下，独立完成采样、传感、数据处理和无线传输的全部功能。尽管针对单一流体的全集成传感器已有报道，但设计一种能同时监测这两种截然不同生理环境流体的单一双功能全集成可穿戴平台，仍是未被攻克的重大挑战。
详细工作流程 本研究设计并验证了一款双功能全集成可穿戴追踪器，其核心是解决将两种不同生物流体分析无缝集成到单一设备中的工程难题。整个研究的工作流程涵盖设备设计与制造、核心传感模块性能验证、微流控模块设计验证，以及人体和动物模型上的应用验证。
首先是设备制造流程。研究团队通过系统集成，制造了一个由三个核心模块组成的可穿戴追踪器。微流控模块负责表皮生物流体的自主采样、存储与排出，由图案化的粘合层、间隔层和微通道层构成。传感模块用于多重生物标志物分析，构建在柔性聚酰亚胺基板上，集成了针对钠离子（Na⁺）、钾离子（K⁺）、酸碱度（pH）和尿酸（Uric Acid, UA）的传感器阵列。电子模块则是一个可重复利用的柔性印刷电路板，集成了微控制器、数模转换器和蓝牙组件，用于信号处理与无线传输。该设备的独有技术之一，是在UA传感器上修饰了自主研发的碳基纳米材料——高度有序介孔碳（Highly Ordered Mesoporous Carbons, HOMCs），利用其独特的六面体结构、大比表面积和均一介孔来实现超灵敏检测。
其次是模块性能验证流程。在传感模块测试中，Na⁺传感器在5至320 mM浓度范围内呈线性响应，K⁺传感器线性范围为1至64 mM，pH传感器则在4.5至9.0范围内表现良好，均覆盖了汗液和伤口渗出液的生理水平。基于HOMCs的UA传感器，借助差分脉冲伏安法（Differential Pulse Voltammetry, DPV）技术，在1-100 μM和100-900 μM的动态范围内表现出线性关系，检测限低至0.30 μM，灵敏度远超普通石墨烯和碳纳米管电极。研究团队随后引入了一项关键的信号校准策略（Signal Calibration Strategy）：汗液中UA的响应高度依赖离子强度，因此开发了“Na⁺与K⁺共辅助校准”；而伤口渗出液中UA响应显著受pH波动影响，因此开发了“pH辅助校准”。通过此策略，汗液UA读数与高效液相色谱“金标准”检测结果的皮尔逊相关系数（Pearson’s Correlation Coefficient, r）从0.75提升至0.95，伤口渗出液UA的相关系数从0.78提升至0.96，极大提升了真实生物流体中UA监测的准确度。在微流控模块测试中，通过数值模拟和人体佩戴实验验证了其快速采样与刷新能力，11个入口、总流速约3.0 μl min⁻¹时，达到90%新溶质浓度的刷新时间约为204秒。
最后是应用验证流程。在人体试验中，健康受试者在骑行运动时，佩戴于前额的追踪器动态监测到汗液Na⁺、K⁺、pH和UA的实时变化，例如Na⁺在运动初始、稳定和增强阶段呈现梯度升高。为评估其高尿酸血症（Hyperuricemia）管理潜力，研究者对健康和高尿酸血症受试者进行嘌呤摄入控制研究，发现汗液UA水平与皮肤区域、嘌呤饮食剂量和摄入持续性呈正相关。在伤口管理应用上，研究使用感染伤口的小鼠模型来模拟人体伤口情景。设备被佩戴于小鼠背部伤口，连续监测了治疗与未治疗组伤口渗出液中多种标志物的动态变化。结果显示，伤口感染后，渗出液UA和pH在第2天达到峰值，随后随着愈合过程逐步下降；而Na⁺和K⁺水平则无类似与伤口严重程度相关的显著统计差异。
主要结果 上述研究过程获得了一系列重要的量化结果。在传感性能方面，Na⁺、K⁺和pH传感器的灵敏度分别为58.11 mV/decade、58.34 mV/decade和-57.85 mV/pH，显示了优异的灵敏度。在UA分析准确性上，经校准后的UA传感器在汗液和伤口渗出液中分别将相关系数r提升至0.95和0.96，证实了实时信号校准的不可或缺性。在人体运动监测中，设备成功追踪了30分钟骑行内，汗液Na⁺从25 mM起始的阶段性上升、K⁺在7.3-10.3 mM间的波动及pH稳定在约4.9等动态过程。在高尿酸血症管理中，采用Na⁺与K⁺共校准的传感器能更准确地区分健康与高尿酸血症受试者，降低了由信号漂移导致的误判风险。在伤口愈合监测中，数据显示伤口渗出液UA和pH水平与伤口感染严重程度存在统计学显著差异，而Na⁺和K⁺水平则无此差异，表明UA和pH可作为评估伤口感染风险和愈合进展的有效生物标志物。这些结果充分证明，通过单一设备中巧妙的传感材料和信号校准算法相结合，可以跨界分析两种复杂的生物基质。
结论与价值 该研究成功设计了首例双功能全集成可穿戴追踪器，实现了无线、连续、同时地原位监测表皮汗液或伤口渗出液中的Na⁺、K⁺、pH和UA。在科学价值上，该工作通过创新的“Na⁺与K⁺共辅助”和“pH辅助”实时校准算法，首次解决了因两种生物流体生理环境差异巨大而导致的信号漂移问题，为复杂生物流体中高准确度电化学传感提供了新范式。在应用价值上，该设备提供了一种无创管理高尿酸血症的便捷途径，避免了传统血清检测的侵入性伤害；同时，也为慢性伤口的动态化管理提供了新工具，通过监测渗出液UA和pH来评估感染风险和愈合进程。研究还展望，将此种设备与大数据和人工智能结合，能在未来实现更精准的个性化医疗、健身指导及定制化疗法。
研究亮点 该研究的首要亮点是首次实现了单一可穿戴传感器在汗液和伤口渗出液两种不同生物流体中的双功能分析，打破了以往单一功能的局限。其次，开发了生物流体类型依赖的实时信号校准策略，大幅提升了UA在原始复杂样本中的检测精度。再次，自主研发的高度有序介孔碳（HOMCs）作为电极材料，因其独特的纳米结构和缺陷位点诱导的高电化学活性，实现了对低浓度UA的超灵敏检测。最后，通过将全集成概念贯彻于柔性电子设计中，实现了从采样、多路传感、信号处理到无线传输的完全闭环，显著增强了设备的实用性和可穿戴性，为下一代精准医疗诊断和健康监护技术开辟了新的路径。