可穿戴电化学传感器件的研制及其应用

可穿戴电化学传感器件是一种将软硬件设备、电化学传感器和无线通信等技术，与日常穿戴的衣物（衣服、腕带、贴片或纹身等）相结合的智能电子设备，集电化学方法、可穿戴传感技术、电子信息技术与无线通信技术于一体，具有柔韧性和可伸缩性，可穿戴在皮肤表面或植入体内，对生命活动相关的生理信息进行实时连续监测。近年来，随着材料科学、微纳米加工技术、电子通信技术等学科领域的交叉与合作，可穿戴电化学传感器件已被广泛应用于药物分析、环境监测、疾病诊断与医疗保健等领域。

据麦姆斯咨询报道，南京大学化学化工学院生命分析化学国家重点实验室的研究人员在《分析测试学报》期刊发表了题为“可穿戴电化学传感器件的研制及其应用”的综述性文章，针对可穿戴电化学传感器件的研制和应用，概括了其设计思路、组成部分和各组成部件在可穿戴传感装置中的位置与功能，总结了可穿戴电化学传感器件在体表汗液中生理标记物的收集和检测、体内神经化学测量及现场分析检测（POCT）中的应用，分析并总结了可穿戴电化学传感领域的挑战，并展望了可穿戴电化学传感器件的发展前景。

可穿戴电化学传感装置的设计与构建

（1）柔性电极制备

近年来，随着材料科学和微纳米制造技术、柔性和可拉伸电子技术的快速发展，用于生物电测量的柔性电极制备工艺和应用研究取得了长足的进步。柔性电极由基底层、电极层和封装层3部分组成，其中基底材料和封装材料对电极起着支持和保护的重要作用，必须具有生物相容性好、物理化学稳定性好、耐酸腐蚀性高、机械性能高、延展性好的优点。而电极层的制备材料必须具有化学惰性、生物相容性好、化学性质稳定、导电性能优异等优点，主要分为金属材料（金、铂、铱及其合金，钨、不锈钢及部分金属氧化物）、碳材料（石墨烯、碳纳米管等）和导电聚合物材料三大类。随着微纳米技术的不断发展，基于柔性基底材料的电极制备方法日益成熟，主要包括打印技术、紫外光刻技术和磁控溅射技术。打印技术一般有丝网印刷、柔性版印刷以及凹版印刷等。紫外光刻技术和磁控溅射技术通常联用于柔性电极的制备，但单独使用磁控溅射技术亦可得到柔性电极。如最常用的柔性金电极通过磁控溅射技术在基底材料上制得（图1）。具体方法为：通过磁控溅射仪器溅射出大量金属原子，呈中性的金属原子透过掩模版沉积在基底上，并将掩模版上的电极图案复制到基底。

图1 柔性金电极的制备流程图

（2）电源模块

可穿戴电化学传感器件需要可穿戴储能器件进行驱动才能正常工作，若要构建一体化的可穿戴传感系统，必须发展安全、微型、稳定的供能器件。目前用于可穿戴传感器件的供能器件主要是传统的锂电池，因此可穿戴传感器件存在需定期维护、循环充电和电池更换等问题，不利于其进一步的发展和应用。为解决上述问题，开发柔性自供电功能的可穿戴传感器件将成为研究重点。目前柔性自供电可穿戴传感器件的自供电方式主要分为压电、摩擦电和热电3种，因其无需外接电源的优势，在环境监测、电子皮肤、运动检测等领域取得了广泛的应用。

可穿戴电化学传感装置在汗液中生物标记物监测方面的应用

汗液中的代谢小分子主要包括葡萄糖、乳酸、酒精等小分子物质。汗液中的疾病标志物含量与其在血液中的水平具有正相关性。Jia等提出一系列纹身型可穿戴电化学乳酸传感器用于体表汗液中乳酸的检测（图2A）。该方法制备了乳酸氧化酶包裹的普鲁士蓝修饰的丝网印刷电极，对乳酸检测的浓度最高可达到20 mmol/L，并实现了运动过程中乳酸水平的动态监测。

葡萄糖是通过糖原异生或糖原分解产生，其在血液中的含量是糖尿病诊断的重要指标。虽然葡萄糖从血液到汗液的分配途径尚未得到明确的验证，但汗液中葡萄糖浓度已被证明与血糖浓度具有可靠、良好的相关性。Kim团队发展了一系列基于柔性材料的可穿戴电化学传感器件，用于体表汗液中电生理信号的准确测量。在最初的工作中，该团队通过化学气相沉积（CVD）工艺合成了高质量、大面积的石墨烯，构成了一种非常有用的新型透明、可伸缩变形的电子材料。石墨烯因具有可伸缩性、高载流子迁移率、超薄的形状因子和生物相容性，表现出优异的力学、电学和光学性能，并被广泛应用于消费者和医疗保健领域。这种体表石墨烯掺杂的设备装置，仅可在汗液收集区完成汗液中葡萄糖和pH值的原位检测，进一步结合生物可吸收、温度响应的微针调控经皮给药过程（图2B），使糖尿病患者的实时在体检测与即时治疗成为可能。

图2 可穿戴代谢分子传感器

电解质对一些关键的物理化学功能至关重要，如活性膜运输、水合作用、渗透平衡、神经传导、肌肉激活等。在极端情况下，电解质失衡可导致昏迷、癫痫发作和心脏骤停等症状。因此，电解质是汗液分析研究中最广泛的靶向生物标志物。可穿戴式钠传感器的代表性示例如图3A所示，该方法集成钠离子传感、用于信号收集与处理的电路板模块、蓝牙模块，通过检测汗液中钠离子证明了该方法的实用性（图3B）。图3C显示，该方法集成钙离子传感器与pH传感器，可用电位法同时检测汗液中的钙和pH值。通过比较体表传感器数据和非原位汗液分析结果（pH计和电感耦合等离子体质谱仪），揭示了钙离子传感器与pH传感器精确测量钙离子和氢离子的能力（图3D）。

图3 可穿戴电解质传感器

总结与展望

虽然汗液可穿戴电化学传感器件的研制已取得重要进展，目前该器件的发展仍有如下挑战：（1）检测准确性受汗液分泌速率慢、汗液蒸发流失、新旧汗液交叉覆盖、皮肤表面的一些化学物质（如护肤品、身体乳）的污染影响；（2）器件的灵敏度与精准度不足，难以满足比血液中含量低近3个数量级的疾病标记物的检测需求；（3）穿戴舒适度有待改善，需要发展新的柔性材料，降低集成电路板和供电电池的体积，提高材料的伸缩性和柔韧性；（4）功耗大、电池寿命短；（5）传感界面的稳定性需提高。为解决这些问题，可以将亲水性材料、微流控系统、仿生技术引入可穿戴电化学传感器，通过降低汗液蒸发流失、新旧汗液交叉感染等提高传感器的准确性；此外，用水凝胶、壳聚糖、多壁碳纳米管等生物相容性材料负载生物酶，通过增强和保护酶催化活性，可以确保传感器的稳定性；而用仿生皮肤材料作为基底材料，可以发展用户友好型、无缝连接皮肤的电子皮肤器件。

另外，通过设计简单的信号读出体系，研究者已将可穿戴电化学传感器件用于POCT检测，但在复杂实际样品测定装置的商品化方面仍存在挑战，这也是可穿戴电化学传感器件POCT应用的一个重要发展方向。因此，需要针对POCT现场采样、灵敏检测和快速信号输出的实际需求，优化可穿戴电化学传感器件的结构设计，发展目标物收集与检测一体化技术，提高POCT的选择性、特异性，同时缩减可穿戴电化学传感器件的制备成本。

审核编辑：刘清