柔性可穿戴传感器在汗液监测中的应用综述

1、柔性可穿戴传感器在汗液监测中的应用综述摘要介绍了柔性可穿戴传感器应用于汗液监测的优势，综述了柔性可穿戴传感器在监测汗液中的葡萄糖、乳酸、 pH值及多种标志物中的研究进展，分析了柔性可穿戴汗液传感器目前存在的不足和局限性，指出了未来柔性可穿 戴汗液传感器应向低成本、制造简便、高选择性和灵敏度方向发展。关键词柔性可穿戴传感器；汗液监测；汗液；生物传感器；可穿戴设备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引言传感器在人类健康监测中起着至关重要的作 用。近年来,随着对可穿戴传感设备的日益关注，人 们对可穿戴传感器的需求迅速增长,使得可穿戴或 可植入传感器取得了显著发展1-7o例如可以在眼 镜上集成无线多功能化学传感平台，实时监测汗液 电解质和代谢产物闫;利用可粘贴在手腕动脉的传 感器实时监控脉搏的变化9;利用可植入式

4、微电极 生物传感器测量中枢神经系统的神经递质和葡萄 糖等成心。但目前的可穿戴设备大多监测心率和与体育锻 炼相关的指标13-17，无法提供更深入的分子水平信 息,这就促进了化学传感器的飞速发展。化学传感器 可以以非侵入方式监测体液中的分析物，从而动态 监测个体的生理健康状态。例如汗液、血液、泪液、尿 液、唾液等都是容易获得的体液标本，但大多数在可 穿戴传感应用方面都有局限性。例如血液和组织液可 以通过可植入设备进行连续监测，但很难通过可穿戴 平台无创采集;泪液监测存在一定的危险性，连续刺 激可能会产生反射性泪液，从而影响传感器的读数; 基于尿液监测的传感器无法以可穿戴的形式实现； 而唾液的成分由

5、于进食的影响会发生变化，可能无 法提供足够准确的生理信息。相反，基于汗液监测的 传感器在可穿戴传感方面显示出巨大前景18-19，其可 以在人体上任意位置以无创方式和按需（例如通过 局部化学刺激）生成，非常适合连续监测。传感器可 以放置在产生汗液的位置附近，以便在分析物生物 降解之前进行快速检测。虽然可穿戴汗液传感器在 个性化医疗方面也面临着诸多挑战，但其相对于其 他体液监测来说仍然具有很大优势。通过可穿戴汗 液传感器从血液分析过渡到原位汗液分析，可以提 供一种非侵入性的动态健康监测方法。本文对柔性 可穿戴传感器在汗液监测方面的应用进行综述，探 讨监测不同目标分析物的柔性可穿戴汗液传感器的 研究

6、进展，并进一步讨论柔性可穿戴汗液传感器） 前存在的一些局限性以及未来的发展趋势。1柔性可穿戴传感器监测汗液中的葡萄糖血糖浓度是患者健康的关键指标，尤其是对于 糖尿病患者,血糖浓度可以指示他们的健康状况。由 于糖尿病患者越来越多，目前研究者已经研究了许 多葡萄糖测量方法以实现连续和准确的葡萄糖水平 监测2,200。尽管直接监测血糖可确保获得准确的信 息，但很多糖尿病患者不愿采用侵入性的针刺采血 方式乳植入式葡萄糖传感器可以避免重复性血液采 集的负担，但是具有很大的侵入性，并且由于生物污 染和使用寿命短等缺点,需要定期更换传感器。因此， 非侵入性方法目前正在火热研究中3启。由于汗液中 葡萄糖的水平

7、与血液中的血糖浓度存在相关性，利 用可穿戴传感器实时监测汗液中的葡萄糖水平即可 反映患者的健康状况Xiao等研制了一种基于微流控芯片的可穿戴 比色传感器，用于检测汗液中的葡萄糖，如图1(a) 所示。该传感器由5个微流体通道组成，这些通道从 传感器中心分支出来并连接到检测微腔室。微流体 通道可以将从表皮排出的汗液引导到微腔室，并且 每个通道都与单向阀集成在一起，以避免化学试剂 从微腔室回流的风险。微腔室中包含预嵌入的葡萄 糖氧化酶(GOD)-过氧化物酶-邻联茴香胺试剂，用 于检测汗液中的葡萄糖。与传统的GOD-过氧化物 酶-碘化钾(KI)比色法相比，由邻联茴香胺的酶促氧 化引起的颜色变化对葡萄糖

8、的响应更敏感。该传感 器可以同时执行5次平行检测，检测汗液葡萄糖的 线性范围为0.10.5 mmol/L，检出限为0.03 mmol/L。 采用该传感器检测来自禁食和餐后试验的一组受试 者的汗液样本中的葡萄糖，结果表明，该传感器可以 显示出禁食和口服葡萄糖后汗液葡萄糖浓度存在的 细微差异。Toi等两研制了一种非酶电化学传感器贴片用于 监测汗液中的葡萄糖水平。采用一种可拉伸的纳米杂 化纤维(wrinkled，stretchable，nanohybrid fiber，WSNF) 作为传感器的电极材料，其中金纳米纤维部分覆盖 了还原的氧化石墨烯(reduced graphene oxide，rGO)

9、 / 聚氨酯复合纤维。WSNF具有很高的电催化活性， 这是因为金纳米纤维与rGO载体上的含氧官能团 协同作用，促进了葡萄糖氧化过程中的脱氢步骤。同 时WSNF具有延伸性好、灵敏度高、检测限低、抗干 扰能力强、环境稳定性好等特点，可以在中性条件下 检测葡萄糖。如果将这种WSNF传感器贴片缝在可 拉伸的织物上，并附着在人体皮肤表面，就可以连续 测量汗液中的葡萄糖水平，以准确反映血糖水平。故 将WSNF电极部分嵌入到聚二甲基硅氧烷(polydi- meth-ylsiloxane，PDMS)基材中或缝在可拉伸织物上 以制备可拉伸电化学葡萄糖传感器，如图(b)所示。 与织物集成的WSNF葡萄糖传感器可以

10、简单地与便 携式电化学分析仪连接，并连接到人体的前额，以便 连续监测餐前和餐后汗液中的葡萄糖水平。Bae等闰报道了一种完全可拉伸的微流体集成 葡萄糖传感器贴片，由全向可拉伸的纳米多孔金 (nanoporous gold，NPG)电化学生物传感器和可拉伸 的微流装置组成，如图(c)所示。在具有应力吸收作 用的3D微图案化PDMS基板上制备高度电催化的 NPG电极,以赋予其机械拉伸性、高灵敏度和非酶促 葡萄糖监测的能力。通过将可拉伸的棉织物作为毛 细管嵌入到薄的聚氨酯纳米纤维增强的PDMS通道 中,制得一种虽然薄但可拉伸且坚韧的微流体装置, 从而能够将汗液从皮肤上收集起来并准确地传递到 电极表面，

11、具有出色的连续和准确监测汗液中葡萄 糖水平的能力。2柔性可穿戴传感器监测汗液中的乳酸汗液乳酸是人体在无氧活动(如高强度运动)作 用下产生的一种小分子代谢物，运动强度的增加会 导致汗液中乳酸的增加。因此，汗液可以方便地用 于个人的体能分析，而无需采用有创性的血液采样 方法四。汗液乳酸也可以作为组织活性的敏感标志， 并可以为局部缺血提供警告，反映氧化代谢不足和 组织活性的损害。Jia等何设计了一种可贴在穿戴者皮肤上的柔性 电化学酶基生物传感器，可以在运动过程中实时、无 创性地进行人体汗液中的乳酸监测，如图2(a)所示。 该生物传感器对乳酸具有化学选择性，线性高达 20 mmol/L,可抵抗表皮磨损

12、引起的持续机械变形。 该传感器已成功应用于人类受试者，可以在受试者 长时间的自行车运动中实时、连续监测汗液中乳酸 的动态，产生的时间-乳酸分布曲线可反映出运动强 度改变时汗液乳酸产生的变化。这种可抵抗皮肤牵 拉的汗液乳酸生物传感器可实时、准确地评估人体 的生理状况，从而在体育、军事和生物医学及其他应 用方面展现了可观的前景。Zhang等网开发出一种戴在眼镜上的酶促生物 传感器，用于低噪声和无创地测定体育锻炼时人体 汗液中的乳酸，如图2(b)所示。首先将饿络合物(酶 和电极之间的电子介体)固定在柔性印刷的碳电极(a)可穿戴比色传感器(b)非酶电化学传感器贴片网()微流体集成葡萄糖传感器贴片闵图1

13、可穿戴汗液葡萄糖传感器(a)可穿戴比色传感器(b)非酶电化学传感器贴片网()微流体集成葡萄糖传感器贴片闵图1可穿戴汗液葡萄糖传感器Nagamine等闵设计了一种基于水凝胶的触摸传 感器用于非侵入性提取和监测汗液成分以及进行原 位汗液成分分析(一类非人工取样、制样的就地分析 技术与方法，即贴在皮肤表面就可进行汗液监测), 如图2(c)所示。该传感器由电化学L-乳酸生物传 感工作电极和完全覆盖有琼脂糖凝胶的参比电极 组成,其中琼脂糖凝胶中包含汗液提取液、杜尔贝科 磷酸盐缓(液(Dulbecco?s phosphate-buffered saline, DPBS)。当人体皮肤与琼脂糖凝胶接触时，汗液

14、中的 L-乳酸被连续提取到凝胶中，然后进行原位监测。这 种新型触摸传感器将实现对汗液生物标志物的非侵 入性和每日定期监测，而无需剧烈运动、环境温度控 制和胆碱能激动剂辅助排汗，未来有望实现对汗液 生物标志物简单、无创的日常连续监测。与Juno(b)戴在眼镜上的汗液乳酸传感器啊Human skinTime (s)(与Juno(b)戴在眼镜上的汗液乳酸传感器啊Human skinTime (s)(6)贴在皮肤上的汗液乳酸传感器笆PerspirationL-lactate sensor Reference electrode electrode(C)基于水凝胶的乳酸触摸传感器。图2可穿戴汗液乳酸传感

15、器3柔性可穿戴传感器监测汗液中的pH值pH值是疾病诊断的一个关键指标,汗液pH值的异常可以指示某些疾病的发生。例如，患有2型糖 尿病的肾结石患者的PH值比正常人低;另外，汗液 pH值的变化可能会导致皮炎、鱼鳞病和真菌感染等 皮肤病的发生网。Nyein等闽开发了一种完全集成的可穿戴电化 学平台,用于同时连续监测汗液中的Ca!7和pH值, 包含柔性的传感装置、集成电路和无线收发器，如图 3(a)所示。该平台测量的度和pH的准确性分 别通过感应耦合等离子体质谱技术和商用pH计进 行验证。结果表明，该平台具有对目标离子的高重复 性和选择性。此外该研究还进行了汗液的实时人体 评估，结果表明钙浓度随pH值

16、降低而增加。该平台 可用于对汗液中Ca!7和pH值进行无创连续分析，以 诊断疾病。Hou等啊通过选择合适的溶剂和电纺条件，成 功地将聚苯胺(polyaniine，PANI)和聚氨酯(polyure- thane，PU)通过同轴静电纺丝技术结合起来，研制出 了 PAH/PU核壳纳米纤维柔性pH汗液传感器，如 图3(b)所示。导电PANI包裹在PU外面，在微观尺 度上实现了良好的结合。当PANI掺杂质子酸后，聚 合长链上的氮原子被质子化产生激发态极化子，本 征态PANI分子内y环消失，重新分布电子云。氮原 子上正电荷的离域形成共Z结构，使传感器具有良(a)同时无创监测Ca27和pH值的可穿戴电化学

17、平台网MicroemulsionCyclohexaneCore-Shell FibersConxial Electrospinning01020Time (s)(b)同轴电纺柔性PANI/PU纤维高灵敏度Conxial Electrospinning01020Time (s)(b)同轴电纺柔性PANI/PU纤维高灵敏度pH值汗液传感器啊Detect pH in BufferSO TOOTime ()Dctvct pH uf SweatSkin好的导电性和弹性。PANI/PU传感器可以很容易地 弯曲或伸长，并且在各种运动中都不会受到损坏。 该研究用电化学方法检测了该传感器对汗液pH值 的响应，发

18、现该传感器具有较高的检测灵敏度和稳 定性，在pH值27的范围内电信号与pH值呈线性 关系，灵敏度为-60 mV/pH，Detect pH in BufferSO TOOTime ()Dctvct pH uf SweatSkin4柔性可穿戴传感器同时监测汗液中的多种标志物在过去的50a中，柔性可穿戴传感器的发展已 经取得了显著的进步，单一分析物的汗液传感器已 经不能满足临床的需要，通过多种与健康相关的生 物标志物的同时监测来全面地评估个体的生理状态 是非侵入性实时监测人类健康的理想方法国刊。Gao等网提出了一种基于柔性聚对苯二甲酸乙 二醇酯(polyethylene terephthalate，

19、PET)基底的集成 型的可穿戴传感器阵列，用于多重原位汗液分析。通 过标准光刻、电子束蒸发、。2等离子体刻蚀等67个 步骤来制造柔性集成传感器阵列。如图4(a)所示， 其设计成腕带式，能够同时测量汗液中的各种离子 和代谢产物。传感组件采用柔性塑料基板PET,电极 针对不同的被分析物进行了功能化，从而可以进行 连续、多重的测量。印刷电路板(printed circuit board， PCB)将原始分析物的检测信号校准为有意义的浓度 值，然后传输到定制的App应用程 序，以方便用户读取结果；同时提 供了变化的分析物浓度曲线，可以 告知用户电解质的消耗情况或是 否脱水。mV/pHHe等报道了一种基

20、于汗液 的碳纤维纺织品的柔性汗液分析 贴片如图4(b)所示,可同时监测 6种与健康相关的生物分子。固有 的N掺杂石墨结构和分层的编织 多孔结构可为碳纤维织物提供良 好的导电性、丰富的活性位点和良 好的水润湿性，从而实现有效的电 子传输和充足的反应物接触，使其 可以作为电化学传感器中出色的 工作电极来使用。该研究在此基础 上,制作了能够同时监测葡萄糖、乳 酸、抗坏血酸、尿酸、NaP和K7的多 元汗液分析传感器,将选择性检测 器与信号收集传输组件集成在该传感器中,使传感器能够进行人体汗液的实时分析。mV/pHLu等制造了带有微型超级电容器(micro-su- percapacitor , MSC)

21、的集成式、可穿戴、自供电式汗液 监测系统，如图4(c)所示。该汗液监测系统由基于钻 酸(NiC2=4)/壳聚糖的葡萄糖传感器、基于离子选 择性膜的Na?和K?传感器以及基于NiCo2=4的MSC 组成。作为传感器阵列的电源，制成的基于NiC2=4的 MSC在电源功率密度为0.09 mW/cm!的情况下显示 出出色的电化学性能，能量密度为0.64 !W/cm!。通过 进一步采用信号传导、调节和无线传输技术(Wi-Fi), 该智能监测系统可以轻松、准确地在用户手机上显 示出对汗液生理成分的实时监控，以评估个人的生 理健康状态。该可穿戴智能监测系统展示了柔性可 穿戴设备在个性化诊断和生理健康方面的潜

22、在应用 前景。(a)可穿戴腕带(b)可穿戴贴片(。)可穿戴超级电容器图4可穿戴汗液多元化传感器5结语随着便携式医疗系统的发展，柔性可穿戴传感 器正在成为下一代智能健康监测工具，以智能、简便 和实时的方式从人体和周围环境中获取信息。传统 的医学检测往往需要专业技术人员使用大型仪器， 并进行大量的实验室分析，这使医学检测方式趋向 于集中化和复杂化。同时，这些大型仪器大多依赖于 血液样本，这种侵入性检测方式给新生儿、老年人和 晕血症患者带来很多不便。因此，非侵入性的监测方 式逐渐成为临床研究的热点。连续监测分析汗液中 的生物标志物对个人非侵入性健康监测来说具有重 要意义，例如，糖尿病患者的健康监测要求定期监测 葡萄糖水平；运动员在训练过程中需要不断评估体 能水平和电解质情况；持续地监测药效可以为临床 治疗提供指导性的帮助。侵入性传感器具有明显的 局限性，因为持续提供所需的样本(血液、尿液、血清 等)是不切实际的。因此，有创性的传统医学检验模 式并不适合个体健康监测。柔性电子技术是新兴的 电子技术，由于其独特的灵活性、延展性