可穿戴汗液傳感器研究進展

王洋洋，咸婉婷，宋成君，劉繼江

(中國電子科技集團公司第四十九研究所，哈爾濱 150001)

0 引言

汗水中包含了很多人體健康信息，汗液可檢測到的健康指標與血液檢測得到的指標相比幾乎同樣豐富。然而，血液檢查需要抽血取樣，汗液檢測則在體外就可以完成，是無創的、非入侵式的，成為了比血液檢測更便捷的檢測方式[1-4]。人類的每一滴汗水之中都有0.2%～1%的溶質[5]。這些溶質包含了各種無機離子、有機分子、氨基酸、激素、蛋白質、多肽等分泌物[6、7]，人們可以通過對汗液成分的監測，分析人體的電解質失衡程度、乳酸指數、汗液葡萄糖水平、脫水狀況、潛在疾病以及卡路里燃燒值[8、9]，進而對人體的生命體征狀態進行分析。

隨著智能化科技產品的飛速發展，可穿戴汗液傳感器設備實現了能夠與人體皮膚緊密貼合，并對個體的生理信號進行實時監測[3]。將多功能集成的柔性傳感器與柔性印制電路結合，制成“智能帶”，穿戴在身體的不同部位，對生理信息進行實時監測與分析，分析出佩戴者實時的生理狀態，這是新一代可穿戴健康監測領域主要的發展方向[4、5]。國內外各大科研院所對汗液傳感器敏感材料、結構設計、制作工藝開展了大量的研究。本研究對汗液傳感器近些年的研究進展及發展趨勢進行了總結分析。

1 電化學方法對汗液成分分析

目前報道的汗液傳感器檢測原理主要為電化學方法及比色法。其中，電化學方法為通過制作有機或無機的選擇性敏感膜材料，設計選擇性電極，通過檢測電極間電勢差、電流、電阻信號，實現對汗液中生理標記物的選擇性識別和檢測。電化學原理的優勢是靈敏度高、準確性好、制作工藝簡單、體積小易集成。表1為汗液傳感器電化學檢測方法對比表。

表1 汗液傳感器電化學檢測原理比較[5]

由表1分析，電位法和計時安培法因其檢測方法簡單、選擇性好、信號處理方法簡單、易集成、易微型化，成為了制作汗液傳感器的主流方法。

1.1 無機離子檢測

2017年，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張挺等[6]研制了可穿戴“汗帶”，開發出了既簡單又穩定的全固態離子選擇電極(ISE)和參比電極(RE)，提出了一種以金納米樹枝晶(AuNDs)陣列電極為固體接觸電極，以聚醋酸乙烯酯/無機鹽(PVA/KCl)膜為涂層的新型全固態傳感器平臺，檢測限達到8×10-6mol/L，線性范圍為10-6～10-1mol/L。采用一步電沉積制備納米金晶枝電極具有較大的比表面積(7.23 cm2)，與裸Au-ISE相比，具有更高的電位穩定性。制備的PVA/KCl膜涂層Ag/AgCl在貯存3個月后，仍表現出良好的穩定性。

2019年，中國科學院長春應用化學研究所QingboAn等[7]采用電化學原理研究制作了多通道電化學固態可穿戴電位傳感器，用于汗液中生理標記物的實時監測。采用高導電率、高電容的石墨烯作為離子-電子轉換層，對超疏水基體進行改性，進一步穩定了電位。傳感器集成的固體ISE有四個通道，可以同時檢測汗液的K+、Na+、Cl-和pH。K+、Na+、Cl-傳感器線性范圍(1×10-6～0.1)mol/L，pH檢測范圍4～7.5。這種可穿戴的電位儀具有準確度高、電位穩定性好、檢測限低的特點。

2016年，法國圖盧茲大學A.Cazalé等[8]開發了離子選擇性電極(ISE)和離子敏感場效應晶體管(ISFET)可穿戴生理參數檢測傳感器，其對汗液中的Na+有良好的響應，檢測限為10 mM，ISFET檢測限為5 pNa，靈敏度為110 mV/pNa。

圖1 法國圖盧茲大學可穿戴生理參數檢測傳感器

2016年，美國加州大學Wei Gao等[9]鑒于汗液成分的復雜性，研究制作了多通道汗液傳感器陣列，可同時檢測多重目標生物標記物，進行原位汗液分析，檢測目標包括汗液電解質(鈉和鉀離子)水平。檢測采用電化學方法，制備具有生物選擇性敏感電極，對汗液中的生理標記物進行選擇性識別。通過采集電勢差及電流變化，實現對待測目標的選擇性檢測，實現了檢測限Na+(10～60)mmol/L、K+(1～32)mmol/L的指標。通過柔性敏感電極及柔性電路板的設計制作，實現汗液傳感器的可穿戴。

圖2 美國加州大學研制的電化學汗液傳感器

1.2 生物分子檢測

2019年，德克薩斯大學Kaichun Lin等[10]基于柔性氧化石墨烯，設計制作了一種微型化汗液乳酸傳感器，對其性能進行考察。這種新型傳感器包括石墨烯氧化物(GO)納米層，集成到納米多孔柔性電極體系中，將乳酸氧化酶(LOD)酶固定在GO納米片表面實現乳酸檢測，通過電化學阻抗譜對傳感器性能進行檢測。該傳感器檢測范圍(1～100)mmol/L，檢測限為1 mmol/L。傳感器在實際乳酸濃度(1.3～113.4)mmol/L范圍內線性良好，線性相關系數為0.955。

2019年，浙江大學YushengWan等[11]采用紫外介導化學鍍膜技術制備了薄膜PET基金電極(PGE)葡萄糖傳感器。與現有的葡萄糖傳感器相比，PGE葡萄糖傳感器結構、制作工藝簡單。傳感器的靈敏度為22.05 μAmM-1cm-2，范圍為0.02～1.11 mM，檢測限為2.7 μM。傳感器對乳酸、尿素、尿酸、多巴胺和抗壞血酸具有良好的選擇性，同時該傳感器表現出良好的長期穩定性和重復性。

2018年，斯坦福大學Onur Parlak等[12]基于分子選擇納米多孔膜制作了一種可穿戴有機電化學傳感器用于皮質醇的無損檢測。實驗將一種電化學晶體管和特制的合成仿生高分子膜集成，這種膜作為分子記憶層，用于選擇性地識別人類應激激素皮質醇。實驗制作了帶有微柱通道的汗液采集膜層，為傳感器提供準確的汗液采集和精確的樣本傳輸。該傳感器已成功地應用于可穿戴傳感器組件的人體真實樣品分析。制作的傳感器在(0.1～.0)μM皮質醇濃度范圍顯示出良好的傳感特性。

圖3 斯坦福大學研制皮質醇傳感器

2 比色法對汗液成分分析

與電化學原理相比，比色法用于制作汗液傳感器出現的更早，結構更簡單，使用更方便，更有利于實現可穿戴。比色法依據汗液成分與顯色指示劑結合產生顏色變化，實現對被測物質的檢測。顏色主要靠人眼進行識別，存在誤差較大，無法對被測物質濃度進行準確檢測。但在很多對檢測精度不是很高的地方或特殊的應用領域，比色法仍然有廣闊的應用空間。

2019年，泰國朱拉隆功大學Nadtinan Promphe等[13]采用非真空萃取比色法檢測了汗液中的乳酸鈉。實驗通過在棉織物上沉積三層不同的膜即殼聚糖、羧甲基纖維素鈉和指示染料，制造了一種用于同時檢測汗液pH和乳酸的無創紡織品比色傳感器。傳感器顯色指示劑由甲基橙和乳酸酵素混合物組成，隨著乳酸濃度的增加，色素增敏度增加，傳感器指示區從紅色變為藍色，通過與標準校準色卡進行比較，判定汗液的pH。該傳感器pH檢測范圍(1～14)、乳酸檢測范圍(0～125)mmol/L。

2016年，意大利貝加莫大學Michele Caldara等[14]研究制備了具有石蕊-3-縮水甘油基丙基三甲氧基硅烷涂層的織物，實現了對汗液pH值的監測。通過使用無毒的pH指示劑和3-環氧丙基氧基丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)作為硅氧烷前驅體，通過溶膠-凝膠獲得pH敏感纖維材料，經過出汗后纖維顏色的變化，指示汗液pH變化。

2016年，美國伊利諾伊大學Ahyeon Koh等[15]利用色度檢測法制備汗液傳感器，采用微流控引導汗液進入涂有顯色指示劑的腔室。該設備可同時測量代謝物、pH值和出汗率，采用比色法原理制作的傳感器缺點是無法實現汗液的連續測量。

圖4 美國伊利諾伊大學研制汗液傳感器

3 汗液傳感器集取結構研究

對汗液傳感器的研究，目前主要是針對敏感材料指標、柔性器件制造、微型化設計以及集取結構設計。大量的研究針對微量汗液生物檢測技術，設計合理的集取結構，實現了只進行微量汗液進行取樣，即可同時進行多參數生理標記物檢測的汗液傳感器。

2016年，美國加利福尼亞大學G.Liu等[16]研制了一種可穿戴的非侵入式的無線實時汗液電導率傳感器。采用3D打印塑料模具，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為材料，利用汗腺液壓泵吸作用，制備了帶有集汗器結構的汗液傳感器，如圖5。

圖5 美國加利福尼亞大學研制汗液傳感器

2019年，美國加州理工大學Yiran Yang等[17]采用激光刻印技術制造了可穿戴汗液傳感器，對汗液中尿酸和酪氨酸進行檢測。研究通過檢測食用富含嘌呤的膳食后患者和健康人汗液中尿酸水平，結果發現，痛風患者汗水尿酸水平高于健康人。尿酸和酪氨酸低檢測限分別為0.74 μM和3.6 μM。

2016年，荷蘭霍爾斯特研究中心V.A.T.Dam等[18]研制出了一種廉價的一次性微型電化學傳感平臺，在聚對苯二甲酸乙二醇酯基片上制備了用于連續監測離子組成的汗液貼片。傳感器包括一個汗液收集區，集成的參比電極以及用于實時監測汗液中氯化物濃度的絲網印刷AgCl電極陣列。

圖6 美國加州理工大學設計的汗液集取裝置

圖7 荷蘭霍爾斯特研究中心研制一次性汗液傳感器

4 展望

可穿戴式汗液傳感器因其可以隨時隨地做汗液檢測，全天候監測健康狀況，在未來遠程醫療、運動員訓練、國防、軍事、航空航天領域均有廣闊的應用前景。目前，汗液的檢測系統由單一汗液生物標志物檢測正向多種參量小型化、陣列化、集成化過渡，部分研究成果已開展向產品化轉化。目前汗液傳感器還存在一些問題亟待解決，如汗液的成分因人而異，甚至在同一個人身上汗液的成分也可能因飲食習慣等因素而變化，因此需要為個人建立獨特的個性化的汗液數據分析系統。汗液傳感器發展相關的新型高選擇敏感材料、高性能離子選擇性電極、陣列化集成化設計制備等科學技術還需要進一步發展，進而提高傳感器的分析識別能力和選擇性。