柔性汗液傳感芯片健康監測技術的研究進展*

張強，魏高峰，閆士舉

(1.上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200093；2.海軍軍醫大學海軍醫學系，上海 200433)

1 引 言

柔性汗液傳感芯片技術是近兩年發展起來的一種融合了柔性表皮電子技術優點與醫療健康監測需求的創新技術，已經初步在人體生理信息監測領域取得了一些革命性的進展，展現出了未來在醫療健康領域顛覆性的潛在應用價值[1-4]。目前，世界各國普遍建立了以醫院為中心的現代醫療健康服務體系。通過醫院檢查或定期體檢得到的信息是碎片化、非連續的，這造成了院前無法精準預防疾病，院后無法精準跟蹤疾病，忽略了個體監測對自身健康的重要性。

柔性醫療傳感芯片技術的出現，使得個人有能力連續監測自身生理參數，通過將各種類型的柔性醫療傳感芯片集成到腕帶、衣服、皮膚貼等穿戴物中，能夠實現連續、實時、無創、無感地監測人體生理指標[5-13]。傳感器能使個人無需昂貴的設備或專業醫護人員即可進行自身醫療健康監測，實現了個人、醫生、醫院之間的無縫銜接，形成了以個人為中心的新型大數據精準醫療模式，見圖1。

圖1 以個人為中心的大數據精準醫療模式

這種以個人為中心的新型大數據精準醫療模式，根據不同的應用場景，開發相應的柔性醫療傳感貼片，監測所需要的健康生理指標。通過5G網絡，數據被實時傳送到云端大數據中心，經過人工智能醫療算法的初步篩查，及時發現人體健康狀況的早期改變，對各種慢性疾病進行精準監測管理，實現預防保健，減少個體患病概率、提高個體的健康水平。

2 基于汗液的醫療健康監測技術

2.1 汗液的生成、組成與醫學價值

人體汗液是由汗腺細胞產生，通過汗液導管輸送至皮膚表面。在此過程中，各種離子、代謝物、酸類、荷爾蒙、小蛋白質和多肽類分子從導管壁進入汗液[14]，見圖2。其中，含量最多的就是Na+和Cl-，各種物質的具體含量范圍見表1。除自然生成的分

圖2 汗液的生成與組成

表1 汗液中各種物質的含量

泌物之外，汗液中還含有酒精、藥物和重金屬離子等人體分泌的毒素廢物[15]。

通過分析汗液中的生物化學信息，可以獲取人體更深層次分子水平的健康狀況。但到目前為止，汗液中分析物含量的變化與人體健康狀況之間的關系并不完全明確，在臨床實踐中應用較少[16-17]。

不同的汗液生成方式其組成成分是不同的。如在臨床醫學應用上，汗液中氯離子含量的變化，是診斷囊性纖維化病的金標準。而在體育運動中，貼在運動員身上的汗液貼片能夠吸收汗液中的藥物代謝物，從而檢測運動員在比賽中是否服用了違禁藥物，避免了常規的尿檢通過喝大量的水做假讀數的情況發生[18]，因此，汗液檢測傳感技術在運動醫學領域也具有廣泛的應用前景。

2.2 汗液可穿戴健康監測技術

由于技術條件的限制，目前針對汗液分析采用的過程，實現連續、實時、無創的可穿戴健康監測[19]存在許多困難，首先是很難獲取大量的汗液樣本，其次是在汗液采集和檢測中的蒸發和化學降解均影響檢測的敏感性和可靠性。解決此問題的唯一方法是將汗液檢測分析儀器做成柔性可延展類皮膚貼片式傳感器，在無需任何專業人員操作的情況下，能夠在汗液產生的時刻完成采集和檢測，這將使個人健康監測領域產生顛覆性的創新。

目前應用的可穿戴傳感技術都是監測心率、身體運動等物理性指標，而可精確評估人體深層次分子水平的理化指標目前只能通過有創方法獲得。該狀況促進了可穿戴生化傳感器的發展，傳感器將獲取的體液與被檢測標記物發生特定反應，產生電信號，從而為實現從分子層面監測人體健康狀況提供了一條技術途徑。然而，在人體眾多的體液中，能用于可穿戴生化傳感器進行實時、連續、無創地監測的只有汗液。為了檢測血液和組織間液植入傳感器的過程會對人體造成傷害；淚液常由于物理刺激發射性生成，會混淆干擾測量值[20-22]；唾液的組成嚴重依賴所咀嚼過的食物，僅能提供非常有限的生理信息。汗液能夠根據使用需要在身體任意表面產生，通過局部化學刺激可以精準控制汗液的生成位置和生成量。因此，基于上述汗液獨特優勢，針對汗液的可穿戴傳感技術研究成為了這一領域的世界前沿。

3 柔性汗液傳感器的設計原理

3.1 汗液傳感檢測方法

電化學方法是目前應用最為廣泛的汗液傳感檢測方法，因為電化學方法對于目標物的檢測分析具有及時、快速的特點[23]。基于電化學方法的汗液傳感器通常由兩部分組成，一是由功能電極組成的傳感器部分，用于將目標分析物濃度轉化為電信號；二是電路組件，用于處理、計算、傳輸信號到用戶界面[24]。電化學方法高靈敏度，可選擇性好，響應時間較低，且易于形成可穿戴形式。

近年來，逐漸出現了多種用于可穿戴汗液監測分析的電化學方法。其中，電位測定法的傳感器電極電壓隨著目標物濃度的變化而變化，適用于檢測汗液中含量較大的離子。計時電流法主要用于基于酶促反應的檢測場景，通過檢測在一定的電壓下，目標分析物的氧化還原反應過程中產生的電流大小，從而計算出相應的目標分析物濃度的大小與變化。其它傳感方法也已經被用于汗液中藥物、重金屬、以及荷爾蒙的檢測。伏安測定法是通過掃描目標物氧化還原反應發生的電壓范圍，來測量氧化還原反應電流的峰值，還可以用于檢測蛋白質、微量金屬等。

3.2 柔性汗液傳感芯片

可穿戴傳感器件的一個關鍵技術要求是需要最大化提高用戶的佩戴舒適感，傳感器件需要與皮膚共形。因此，傳感器件需要由柔軟可變形的、不易脫落的基底材料構成。包括纖維織物、紙張、軟的聚合物或塑料等，均可作為基底材料[25-26]。在柔性基底上的電極制備方法包括光刻技術和打印技術，打印技術一般有絲網印刷、柔性版印刷以及凹版印刷等[27]。光刻技術尚待解決的問題包括確保在變形過程中傳感工作區域無劇烈的變化，功能膜層不被撕裂，從而避免運動相關的信號偽影[28-32]。對于打印的器件，墨水成分的優化，以及前處理可以解決這些問題。

柔性傳感器件的另一個關鍵環節是，柔性基底上的電極需要緊緊地與外圍信號處理、傳輸以及電源電路相連。尤其是在剛柔混合系統的情況下，如果連接不緊密，會產生偽影信號，甚至會因為機械運動而斷開連接，導致器件無法工作[33-34]。

3.3 柔性汗液傳感芯片技術性能指標

2014年北京市教委下發文件決定開展高端技術技能人才貫通培養試驗項目。該項目的學生為符合當年中考升學資格的北京市考生。英語在貫通培養項目中占了很大的比重，每周8節課，中外教同時上課（中教5課時，外教3課時），這與往常的英語課程設置迥然不同。學生在與外教用英文進行交流時，由于目標語言資源有限而難以表達自己的想法時，他們會使用不同的方式來解決溝通中出現的種種問題，而這些不同的方式在語言學中可以歸類于交際策略。通過調查與分析交際策略，我意識到交際策略不僅能使交流順暢進行，也可以幫助學生建立對英語學習的自信，激發學生學習英語的熱情。

為了能夠穩定地、準確地測量目標分析物，汗液傳感器件的一些技術性能指標是非常重要的，例如可選擇性、敏感性、檢測限制、穩定性、響應時間、以及可重復性等[1-2，7，17，35]。

柔性汗液傳感器在對成分分析時會被其他潛在物種干擾，為了提高傳感器的優先選擇性性能，通過在感應電極上使用選擇性識別元件實現。而在感應層上各種生物污染物的積累將會逐漸降低傳感器的選擇性能。Nyein等[36]通過摻入半透膜可以解決該問題。

目前研究中，對于傳感器敏感性的要求不一致，對于連續監測運動中電解質水平的應用場景，傳感器需要具備高度的靈敏性；而對于藥物或酒精含量監測應用場景，只需簡單識別閾值內與閾值外即可[37]。

柔性傳感器需要保持信號穩定性，而如電化學傳感器信號容易受漂移的影響，在連續檢測的過程中會隨著時間的推移而累積誤差，影響傳感器的使用壽命[38]。同時信號漂移也困擾著酶傳感器，酶由于是氧化還原反應的副產物，則可能失去活性或脫離附著的載體，導致信號衰減和靈敏度下降。

響應時間通常受目標分析物、樣品組成、體積大小、反應速率以及識別元件的活性等因素影響[39]。此外，在進行大規模人群實際應用時，為確保每一個汗液傳感器件測量性能的一致性和可重復性，需要研究設置通用的校準曲線，最大程度減少用戶在使用時進行設置和校準的操作復雜度。

另外一個問題是汗液傳感器批量化生產工藝的質量控制。目前的汗液傳感器僅是在實驗室進行的純學術研究探索，汗液傳感芯片中的功能層一般是由人工添加到反應電極上的，無法實現批量化大規模制備，也無法保證每次生產的傳感器質量的一致性[1]。在后續的批量化生產工藝的研究中，可以通過絲網印刷和卷對卷印刷工藝等來解決此問題。

3.4 外圍信號處理、傳輸與電源電路

4 柔性汗液傳感芯片監測技術應用

由于汗液在人體理化指標可穿戴連續無創監測中的獨特優勢，近年來，針對柔性汗液傳感芯片技術的研究成為該領域的前沿，在外觀形式、基底材料、檢測機理等方面出現了許多創新，在一些不同的領域得到了初步的應用。

對于應用的不同場景，可穿戴汗液傳感器的開發要求是不同的。如體育訓練、運動健身等，傳感器佩戴的位置和柔韌性不能影響人體運動。而對于醫療健康監測類的場景，傳感器需要靈活地貼在人體的各個部位，該情況下，汗液傳感器做成貼片狀更為合適。近年來誕生的類皮膚狀的柔性汗液傳感芯片，有望通過卷對卷的柔性微納印刷工藝實現量產。針對一些醫療應用中不出汗的情況，可以通過電離子滲透的方法精準控制人體排汗的部位和速率。

圖3展示了一個腕帶式的電化學汗液傳感器，能夠同時測量汗液中的離子和代謝物[7]。傳感器是由一個柔性的塑料基底，以及附著于基底上的功能電極組成。柔軟的聚合物不僅能使電極避免壓力損壞，而且能夠在電極周圍形成一個充滿汗液的空腔，有利于電極檢測，防止汗液蒸發，保護傳感電極不與皮膚直接接觸。該器件適用于體育健身監測，能夠提供分析物濃度的變化，提示用戶電解質的消耗和脫水的發生。并防止柔性組件的脫落。

圖3 腕帶式電化學柔性汗液傳感器

圖4 汗液離子射頻傳感貼片

美國辛辛那提大學的研究團隊開發了一種汗液離子射頻傳感貼片[5]，見圖4。柔性的傳感電極與射頻傳輸器件在同一層柔性基底上，整個汗液監測產品集成于一片柔性貼片。該傳感貼片設計依賴于近場射頻通訊，在貼片上集成有低功耗的存儲記憶芯片，用于短時間的監測數據的記錄。只有當手機靠近貼片時，才可以將數據讀取出來。這種系統實際上是一個半自動化、間歇連續的貼片式汗液監測設備。

圖5 比色法汗液監測傳感器

另外一種進行汗液監測傳感的技術是通過比色法進行測量[10]，見圖5，通過柔性微流控體基底通道引導汗液進入附著有微納敏感顆粒的反應腔室，腔室中的試劑可以根據被檢測目標物的濃度而產生顏色變化，可以測量汗液中的代謝物、pH值、排汗速率等。這種基于比色法的汗液傳感器無需電池供電，可減小厚度。但是，由于是通過顏色進行判斷，無法測出精準的數值，不能實現連續監測。

圖6 汗液酒精監測傳感器

圖6展示了通過汗液進行連續酒精檢測的柔性傳感器件[16]。通過電離子滲透技術，可以人為控制出汗的部位和排汗量，實現在無需運動的情況下獲取到穩定的汗液用于監測，此技術尤其適用于靜止狀態下的醫學檢查。在圖中連接傳感器的PCB電路上，集成有電離子滲透電極和傳感器外圍信號處理與傳輸電路。這種類似于紋身的貼片式酒精監測傳感器與皮膚具有非常高的共形接觸，使產生的汗液在蒸發之前就完成檢測反應。但是，其弊端是容易產生噪聲偽影，也易受皮膚下組織運動力學作用影響。且長期在同一部位使用電離子滲透技術將會對皮膚造成灼傷感，因此，此傳感器不能在同一部位進行多次連續測量。且剛性器件較多，體積龐大，整體上無法形成完全柔性的監測產品。

圖7(a)是Jia等[42]通過柔性汗液傳感器非侵入式實時監測人類在自行車運動改變運動強度時的人體乳酸變化，且傳感器對乳酸鹽有著很高的選擇性，同時表皮傳感器磨損也符合預期的變化。圖7(b)是Zhang等[43]設計，將傳感器貼合在眼鏡上，皮膚與傳感器接觸時，汗液即可實時提取到傳感器中，從而完成非侵入式監測汗液乳酸，且無需主動排汗等行為即可完成乳酸指標監測。

(a)

(b)

Nyein等[36]設計了一套集成式柔性穿戴設備，包含集成電路和柔性傳感裝備等，可用于非侵入式連續分析汗液中的pH值和Ca2+。同時結果表明了該設備對目標物具有高選擇性，團隊對人體汗液進行實時分析還發現Ca2+濃度隨pH值降低而增加。

圖8 柔性汗液pH值監測傳感器

Xiao等[44]設計出一套基于微流控的比色傳感器用于分析汗液中葡萄糖，見圖9。該傳感器包含5個微流體通道，汗液通過通道導向各個微腔室，同時微流道由單向閥控制避免化學反應試劑回流污染汗液。5個微流道使得該傳感器可以同時進行5次汗液檢測。且通過該設備可檢測出禁食前與進食葡萄糖后的細微差異。

圖9 柔性汗液葡萄糖監測傳感器

5 總結與展望

人體汗液中含有豐富的生理信息，能夠部分代替目前有創的血液檢測，實現分子水平，包括理化指標在內的實時監測。目前針對可穿戴汗液柔性電子醫療領域開發出了包括電解質、代謝物、營養物、重金屬離子等目標分析物在內的多種汗液傳感器件，初步獲得了一些應用。但人體排出的汗液量小，排汗速率和部位不規則，伴隨著生物降解、蒸發、污染等，這些因素都會影響汗液監測結果的準確性。尤其是以下幾個方面問題的解決，才能確保汗液監測結果的準確性。(1)汗液排出量：汗液排出量隨著運動強度、水合情況等因素而變化，且個體之間的差異較大。因此，要求可穿戴汗液傳感器件的性能非常穩定，既能克服干擾和影響，同時需要非常靈敏，能夠在極微量的情況下產生檢測信號，因此，該矛盾是汗液監測傳感技術所需要解決的首個難題。(2)排出汗液的蒸發效應：人體排出的微量汗液在皮膚表面遇到空氣時就會蒸發，這將會改變汗液中所檢測標記物的濃度，這種排出汗液的蒸發效應是無法避免的，需要傳感器在蒸發效應發生之前就實現了檢測。因此，汗液傳感器檢測的及時性是技術上的一大挑戰。(3)污物沾染：人體皮膚上的化妝品與環境中的化學物質能夠進入皮膚所排出的汗液中，這些物質將會影響真實的目標分析物讀數，需要將汗液在從皮膚分泌出來的時刻，就從皮膚表面隔離起來，以確保傳感器的讀數不受影響。(4)排汗速率效應：各種分析物濃度依賴于排汗速率，Na+和Cl-促進了汗液生成，其濃度通常隨著排汗速率的增加而增加。汗液傳感器讀數依賴于分析物被提取到表皮的速率，而不是單純的血液或組織間液中目標分析物含量。因此，需要對排汗速率效應進行識別和補償。

目前文獻報道的汗液傳感器件均還停留在實驗室研究階段，離實際產品應用還有巨大的距離，需要進一步在傳感器的穩定性、外部封裝、信號處理與傳輸電路、能源模塊等方面持續研究和改進。同時汗液傳感芯片的批量化加工制造也是亟待解決的技術難題。

目前除了電解質和代謝物外，汗液中含有的大量其它分子、蛋白質等物質的分泌機理尚不清楚，如果能夠運用柔性汗液傳感芯片對大規模人群進行監測，通過與人工智能大數據分析算法相結合進行大規模相關性研究，即可識別出汗液中這些物質含量的變化與人體健康、疾病之間的關系，有望發現新的基于汗液分析的醫學規律和診斷方法。