運動員汗液分析技術進展

陳 剛 ，葉心明 ，王 興

0 前言

出汗是人體正常的生理活動，可分為主動和被動出汗，汗腺分泌的液體稱為汗液。被動出汗是因天氣悶熱或心情煩躁而引起的，通過水分蒸發可帶走體內熱量，維持體溫在正常范圍內。而主動出汗是人體由于主動運動引起的出汗，不僅有利于散發熱量，還能帶走體內因運動而產生的垃圾[1]。

正常人體汗液比重在1.002～1.003 g/L范圍內，其中 98%～99%的成分為水，pH值范圍為 4.2～7.5，氯化鈉含量約為3 g/L。汗液化學成分主要有尿素、乳酸、葡萄糖、尿酸、肌酸、肌酐、氨基酸和電解質（鈉離子、鉀離子、鈣離子、鎂離子、氯離子和無機磷）等。運動員訓練和比賽時由于出汗，水分和電解質等成分大量流失，并排出人體代謝產物，故對汗液中上述有關物質進行檢測可了解運動時運動員身體狀況、機體代謝情況以及運動時機體的適應性，在運動員選材、日常體育訓練和體能恢復等方面具有十分重要的實際意義[1-3]，汗液分析可為運動員選拔、日常體育運動訓練和指導體能恢復等提供科學依據和手段。

運動員汗液分析通常采用生物傳感器、離子色譜、質譜、毛細管電泳、液相色譜和氣相色譜等分析手段。對于生物傳感器，每種傳感器只能檢測一種指標；而質譜、毛細管電泳、液相色譜和氣相色譜分析時間在數十分鐘，儀器體積大，難以滿足運動現場快速分析的需要[1-3]，于是，研發快速簡便的便攜式運動員汗液分析儀器和檢測技術得到了越來越廣泛的關注。近年來，隨著可穿戴設備和智能手機的普及和發展，其在運動員汗液分析領域也得到了國內外體育和分析科學界廣泛關注。

作為一種無損傷的非侵入式分析方法，汗液分析研究已成為體育運動行業和相關領域的研究熱點，有關新技術層出不窮。本文綜述近來運動員汗液分析技術的新進展。

1 汗液收集和處理

汗液的收集可分全身收集法和局部收集法[4]，前者通過運動后全身沖洗或提取衣物浸泡液采集汗液樣本，而后者主要使用濾紙片、紗布、海綿墊、臂袋等收集胸、臂等部位分泌的汗液。

楊則宜等建立臂汗收集法，汗液用聚乙烯袋包裹手臂收集汗液，收集前清洗手臂并擦干。收集的運動后汗液經離心和酸化后用原子吸收分光光度計測定其中鉀、鈉、鈣、鎂、鐵等離子的濃度，并通過凱氏定氮法檢測含氮量。結果表明不同訓練水平運動員汗液中無機離子濃度差異不大，鉀、鈉、鈣、鎂、鐵離子的平均含量分別為 （324±82.4） mg/L、（1 007±350） mg/L、（102±44） mg/L、（12.9±8） mg/L 和（634±246） mg/L，氮的濃度為（537±143）mg/L[4]。陳柏華等研制了一種電滲汗液濾紙收集片[5]，采用電滲毛果蕓香堿的方法誘導汗液分泌，將定量濾紙貼于皮膚上，包裹聚乙烯薄膜并套上護腕套，約半小時后將收集有汗液的濾紙置于玻璃瓶中，提取后采用火焰光度法測定汗液中的鈉離子。江西贛州地區人體汗液研究小組建立了汗液刮取收集技術[6]，收集運動后或浴后汗液作為試樣，樣品汗液由是頭部和軀干部位刮取。采用原子吸收光度法、火焰光度法和比色法檢測了汗液中鉀離子、鈉離子、氯離子、氨基酸、葡萄糖、尿素、肌酸、肌酐、尿酸等指標，但儀器操作復雜，難以用于現場檢測。

2 汗液分析技術

汗液快速分析技術不僅可用于競技體育中運動員汗液分析，在全民健身領域也有巨大的需求，通過非侵入式的汗液分析可快速了解自身健康水平和運動效果，并可調節控制運動量等，以促進全面提高國民體質和健康水平。

2.1 運動員汗液電解質的檢測

汗液電解質分析對了解運動員電解質流失和指導電解質的補充具有十分重要的實際意義。吳瀟男等采用等離子體發射光譜分析了運動員汗液中尿素、乳酸、鈉、鉀和氯的含量，探究濕熱環境下運動對汗液中這些成分的影響。發現這些成分在訓練的第6天降至最低值，隨后乳酸水平趨于平穩，而其他成分水平出現明顯的回升，說明濕熱環境下習服訓練適應時間至少需6 d[7]。Dam在滌綸膜上集成了參比電極和氯化銀檢測電極，制成了可穿戴的汗液檢測貼片，可用于運動員汗液中氯離子的連續測定，具有響應快和靈敏度高的優點，連續檢測一周傳感器電位基本穩定[8]。

阮芳銘等使用棉質短褲、海魂衫、棉質長統襪子和毛巾等收集訓練中的運動員汗液用于電解質檢測。采用江蘇電分析儀器廠生產的鉀電極、鈉電極、氯電極檢測了汗液中的鉀、鈉和氯離子，結果令人滿意。由于采用電位法，可微型化，適合研制可穿戴電解質檢測裝置[9]。顧星等將汗液中的鈉、氯、鈣、鉀無機離子顯色后采用分光光度法進行檢測，獲得了滿意的結果，但操作復雜，不適合運動員汗液分析的現場快速檢測[10]。Nyein等制備了一種基于柔性硅橡膠的可穿戴微流控汗液檢測貼片，具有螺旋狀的微流控通道，可用于汗液的收集和檢測，通過集成電位傳感器，可用于運動員和臨床病人汗液中氫離子、鈉離子、鉀離子和氯離子的快速檢測[11]。

2.2 運動員汗液乳酸和酸度的檢測

乳酸是運動中體內葡萄糖代謝產生的中間產物。由于運動員長期處于運動量較大的狀態，氧氣供應不足，導致產生的乳酸不能在短時間內進一步分解，形成無氧代謝，產生的乳酸在體內形成堆積，會引起局部肌肉的酸痛。運動員經過一定期限的訓練，機體逐漸適應運動的強度，乳酸堆積及其導致的肌肉酸痛現象可獲得緩解。故檢測運動員汗液中乳酸可間接了解運動員體內乳酸水平，了解運動員身體情況和訓練后身體恢復情況，可用于訓練指導、訓練方案制定以及運動員選材。

Anastasova等在柔性的通道內植入乳酸安培酶傳感器、鈉離子選擇電極、酸度微電極和溫度傳感器，制作可穿戴貼片，可檢測運動員運動時汗液中的乳酸、鈉離子、酸度和體溫[12]。Biagi等采用液相色譜聯用紫外檢測技術分離檢測了運動員汗液中的乳酸和丙酮酸，方法回收率和準確度令人滿意[13]。Kondoh等采用液相色譜檢測了運動員運動前后汗液中的D-乳酸鹽、L-乳酸鹽、丙酮酸和甲基乙二醛，發現運動后有關物質水平大幅上升[14]。

2.3 運動員汗液葡萄糖的檢測

運動員汗液中葡萄糖反映運動員血糖水平、機體代謝和運動時機體的適應性，對其進行快速檢測在體育實踐中具有十分重要的實際意義。

Ryan等將含有膽堿能受體激動劑的凝膠電極對通過電離子滲入刺激汗腺分泌汗液，收集的汗液通過集成在滌綸膜上的氯離子選擇電極和鈉離子選擇電極檢測汗液中的鈉離子和氯離子[15]。如圖1所示，全部傳感器、汗液刺激釋放電極對和電路都集成在一個硅膠腕帶里，可用于運動員汗液實時檢測。

圖1 可穿戴汗液葡萄糖檢測裝置實物照片和工作示意圖Figure 1 Photograph of A Wearable Sweat Glucose Montoring Device and Its Working Diagram

Munje等在聚酰亞胺膜上制作金電極對，覆蓋氧化鋅涂層作為阻抗傳感元件，修飾葡萄糖氧化酶后可用于汗液中葡萄糖的檢測。由于聚酰亞胺膜為柔性膜，可緊貼皮膚實時檢測[16]。Lee等研制了一次性可穿戴汗液葡萄糖檢測裝置，采用普魯士藍修飾葡萄糖氧化酶檢測技術，具有多級透皮藥物遞送模塊，可用于運動員汗液中葡萄糖檢測[17]。

2.4 運動員汗液中肌酐、肌酸、銨和尿素等含氮物質測定

汗液中肌酐、肌酸、銨和尿素等小分子含氮物質的水平可揭示運動時運動員機體的代謝水平和機體適應性，為訓練指導提供依據。雷志平等采用二乙酰一肟分光光度法測定了足球運動員大運動量訓練后汗液中尿素氮的含量，并比較了汗液尿素氮和尿液尿素氮排泄量的關系，為研究運動排汗對蛋白質代謝的影響和蛋白質營養相關問題提供依據[2]。

Huang等采用比色法分析了運動員汗液中的肌酐、肌酸、尿酸和尿素，可為有關非蛋白氮的分析提供簡便快速的方法[18]。Yokoyama等采用液相色譜聯用質譜檢測技術分析了運動員汗液中的尿素、乳酸和幾種氨基酸，獲得了滿意的結果，具有靈敏度和準確度高的優點[19]。

2.5 運動員汗液中蛋白的測定

運動員汗液中的蛋白質的檢測可反映運動時因出汗引起的蛋白流失情況和相關疾病，但通常情況下汗液中蛋白幾乎檢測不出。Yu等采用蛋白組學和肽組學技術，結合質譜和酶解分析和鑒定了人體汗液中861個獨特的蛋白和32 818個內分泌多肽，首次證明部分汗液多肽的抗菌活性[20]。Marshall等采用二維凝膠電泳和銀染法檢測了運動員尿液中的多種蛋白[21]，Corrie等介紹了一系列用于汗液蛋白分析的生物傳感器[22]，均獲得滿意的結果。

2.6 運動員汗液中氨基酸的測定

運動員汗液中存在氨基酸，其水平可反映運動員身體健康和機體代謝狀況。Hirokawa等采用毛細管電泳結合紫外檢測技術分析了運動員汗液中的賴氨酸、鳥氨酸、精氨酸、精胺以及鉀、鈉、鈣、鎂4種離子。該方法具有樣品用量少和快速簡便的優點[23]。

邱仞之等用防毒服收集全身汗液，采用氨基酸自動分析儀測定了高濕熱環境熱習服訓練運動員汗液中的賴氨酸、蘇氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、脯氨酸、異亮氨酸、絲氨酸、組氨酸、酪氨酸、甘氨酸、天冬氨酸、胱氨酸、精氨酸、丙氨酸、谷氨酸，發現汗液訓練后汗液氨基酸除蛋氨酸、胱氨酸和苯丙氨酸略微下降外，其它氨基酸水平均顯著降低[24]。陸鼎一等通過聚酰胺薄膜層析法測定了運動員汗液中甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、纈氨酸、脯氨酸、組氨酸、色氨酸、酪氨酸，具有簡便快捷的特點，獲得了滿意的檢測結果[25]。Calderon-Santiago等采用液相色譜聯用質譜檢測了運動員汗液中18種氨基酸及其代謝產物，可為運動員汗液分析和疾病診斷提供簡便快速的分析方法[26]。

2.7 運動員汗液中乙醇的測定

乙醇的測定分為物理法和化學法。物理法包括氣相色譜法、酒精計法、密度瓶法和折射計測定法等。化學法有重鉻酸鉀比色法、碘量滴定法、莫爾氏鹽法等。運動員由于酒后鍛煉或服用藿香正氣水、腐乳等，汗液中會出現乙醇。同時，檢測運動員汗液中乙醇可評價運動員的代謝水平。徐學笛通過氣相色譜對酒后人體分泌的汗液進行了分析，采用氫火焰檢測器和頂空進樣分析，成功測定了汗液乙醇含量。此方法具有測定結果準確和操作簡便快速的特點[27]。Selvam等研制了一種基于金電極和氧化鋅平板電極的可穿戴傳感器，可用于運動員汗液中乙醇和乙基葡萄糖醛酸苷的連續電化學檢測[28]。

2.8 運動員汗液中尿酸的測定

尿酸是人類嘌呤類化合物分解代謝的最終產物，可從汗液中排出，反應運動員健康和機體代謝情況。Calderon-Santiago等采用液相色譜質譜聯用技術檢測了汗液中尿酸和有關代謝物的濃度獲得了滿意的結果，但由于儀器體積較大，不便于現場檢測[26]。Sugase等采用液相色譜檢測了人汗液中乳酸、尿酸、黃嘌呤和酪氨酸，濃度分別為154 mmol/L、150 μmol/L、225 μmol/L 和 2.25 mmol/L[29]。

2.9 運動員汗液中維生素的測定

張工等建立了一種不經預先分離可同時用熒光光度法測定人體汗液中維生素B1和維生素B2的方法[30]，用自制汗袋收集汗液，優化了樣品制備和測試條件，對實際人體汗樣進行了含量測定，回收率均在75%以上。

2.10 運動員汗液中重金屬離子和微量元素的測定

一些劣質的運動員服裝常存在重金屬離子超標的問題，危害運動員健康。衣物直接與人體接觸，可通過檢測汗液中重金屬離子的含量，了解運動員體內的重金屬水平。王斌等采用電感耦合等離子體質譜法測定人體汗液中鉛、鉻、銅和汞等重金屬離子，解決了汗液中高鹽基體對檢測結果的干擾，獲得了優化的樣品制備和測試條件，該方法檢出限低、精密度高，回收率為 90.5%～106%[31]。

江榮等采用原子吸收分光光度法檢測了運動員汗液中鉀、鈉、鈣、鎂、銅、鋅和鐵等微量元素，分析了高濕熱環境下體育訓練對人體汗液中微量元素流失的影響[32]。結果表明，在高濕熱環境下進行10 d的體育鍛煉可提高人體對熱負荷的耐受能力。

2.11 汗液中咖啡因等嘌呤類物質的測定

國際上有些運動員常通過服用興奮劑提高體育運動成績，為了躲避尿檢常服用咖啡因、茶堿等利尿藥物，通過檢測運動員汗液中的咖啡因等嘌呤類物質及其代謝產物可監督濫用興奮劑等問題。

Tsuda等采用氣相色譜-質譜法檢測了樣品中的咖啡因，獲得了滿意的結果[33]。張婷等用液相色譜-質譜法測定了指紋汗液中咖啡因及其代謝物副黃嘌呤的含量[34]。用濾紙提取指紋汗液后，采用正離子檢測模式，咖啡因和副黃嘌呤與其峰面積呈良好線性關系，方法的檢出限分別為0.3納克/片和1.7納克/片。

2.12 免疫法檢測汗液中乙肝病毒

聶軍等首次采用免疫電鏡在汗液中檢出了乙型肝炎表面抗原 （HBsAg）和乙肝病毒脫氧核糖核酸（HBV DNA），說明HBV可能隨乙肝病毒攜帶者的汗液排出[35]，未見有前人報告，為汗液中存在HBV提供形態學的證據。他們還采用斑點分子雜交試驗檢測了HBsAg攜帶者汗液中的HBV DNA，結果表明HBV可隨汗液排出，汗液為傳播乙肝病毒的媒介之一[36]。

2.13 汗液中芳胺類物質的測定

運動服常用偶氮染料染色，在戶外光輻射條件下，其可發生光致還原反應生成芳香胺類物質，歐盟已規定禁止在紡織產品中使用可降解產生22種致癌芳胺類物質的偶氮染料。由于運動服與人體直接接觸，可通過檢測運動員汗液中芳胺類物質了解運動服染料對運動員的危害情況。代喜斌等采用纖維膜三相液相微萃取技術對汗液基質中的苯胺、對氯苯胺、鄰甲苯胺、對硝基苯胺進行了富集[37]。將富集的樣品直接進行毛細管電泳測定，檢出限為1～10 μg/L。

2.14 汗液中藥物及其代謝產物的測定

運動員服藥后，藥物經吸收、分布、代謝等體內過程，原型藥物和代謝產物可經汗液排出，可通過汗液分析間接了解運動員的服藥信息。張文驥等建立汗液中美托洛爾和α-羥基美托洛爾的提取與檢測方法[38]。汗液樣品經提取和處理后采用液相色譜儀串聯質譜儀檢測，結果表明運動員口服25 mg美托洛爾后3～15 h后仍可在汗液中檢出原藥及代謝物。

2.15 可穿戴汗液分析技術

隨著計算機、小型化儀器、傳感器和智能手機的發展，可穿戴技術近年來獲得了廣泛的關注。可穿戴設備是可直接穿在身上或可整合到使用者的衣物或配件上的一種便攜式設備，可通過軟件支持、云端交互、數據交互來實現其強大的功能，對人類生活和感知將帶來巨大的改變。由于谷歌眼鏡的亮相，2012年被稱作“智能可穿戴設備元年”。可穿戴汗液分析裝置在體育運動領域也獲得了應用，主要是將各種離子選擇電極傳感器和生物傳感器集成在可穿戴的膜片上，通過藍牙和手機連接完成設備的控制和數據采集分析。

美國加州大學伯克利分校的Gao等研制了基于汗液實時檢測的可穿戴式電子設備，被稱為“人體大數據收集器”，是一種多任務汗液感測系統[39]。其中各種傳感器作為設備與皮膚間的接口，通過感知汗液成分了解人體健康狀況，而柔性電路板上的硅芯片則負責復雜的信號處理。圖2為Gao等研發的可穿戴式汗液分析電子設備實物照片。

圖2 可穿戴式汗液分析電子設備實物照片Figure 2 Photograph of A Wearable Electronic Equipment for Sweat Analysis

Xu等研制了一種基于石墨烯-纖維素膜的可穿戴傳感器，可用于人體汗液離子的檢測，成功用于汗液中氯化鈉的測定[40]。Schazmann等將鈉離子選擇電極與可穿戴的設備組合成可用于運動中實時檢測汗液中鈉離子的設備，結果令人滿意[41]。Liu等研制了基于汗腺驅動的硅橡膠汗液收集裝置，與電化學阻抗傳感器聯用，研制成功用于汗液離子化合物檢測的可穿戴設備[42]，在運動員運動中的汗液檢測有良好的應用前景。近日，浙江大學劉清君課題組聯合中科院蘇州納米所等研發單位基于印刷電子技術，采用近場通訊技術和電化學傳感技術，構建了一種無線、無源、柔性的貼皮式電化學傳感貼片，可以實現運動員汗液中葡萄糖、鈉離子、鉀離子和pH等多種組分的定量分析，可為體育運動中有關指標的現場實時檢測提供新方法[43]。

Bandodkar等研制了一種無電池可穿戴式微流控汗液分析裝置，內部有吸收汗液樣品的流路和檢測腔體，具有電位、安培、比色檢測功能，可用于出汗率以及汗液中乳酸、葡萄糖、氯離子和酸度的檢測，檢測結果可通過藍牙于智能手機上讀取和存儲[44]。

3 小結和展望

通過對人體無損傷的非侵入式汗液分析，可了解運動時運動員身體狀況、機體代謝情況以及運動時機體的適應性，在運動員選材、日常體育訓練和體能恢復等方面具有十分重要的實際意義。各種基于分光光度法、原子發射光譜、火焰發射光譜、質譜、液相色譜、毛細管電泳、氣相色譜、電位法等實驗室常規技術已經日趨成熟，但設備體積龐大，不適合運動現場對運動員的檢測。近年來，用于運動員汗液實時現場分析的穿戴式和便攜式分析技術獲得了廣泛重視，國外有關研究較多，國內處于剛起步階段。但可以預見，可穿戴體育運動生化指標檢測系統在競技體育和全民健身體育運動中具有廣闊的應用前景，屬于體育運動行業的新興技術和朝陽產業。