可穿戴電化學傳感器件的研制及其應用

可穿戴電化學傳感器件是一種將軟硬件設備、電化學傳感器和無線通信等技術，與日常穿戴的衣物（衣服、腕帶、貼片或紋身等）相結合的智能電子設備，集電化學方法、可穿戴傳感技術、電子信息技術與無線通信技術于一體，具有柔韌性和可伸縮性，可穿戴在皮膚表面或植入體內，對生命活動相關的生理信息進行實時連續監測。近年來，隨著材料科學、微納米加工技術、電子通信技術等學科領域的交叉與合作，可穿戴電化學傳感器件已被廣泛應用于藥物分析、環境監測、疾病診斷與醫療保健等領域。

據麥姆斯咨詢報道，南京大學化學化工學院生命分析化學國家重點實驗室的研究人員在《分析測試學報》期刊發表了題為“可穿戴電化學傳感器件的研制及其應用”的綜述性文章，針對可穿戴電化學傳感器件的研制和應用，概括了其設計思路、組成部分和各組成部件在可穿戴傳感裝置中的位置與功能，總結了可穿戴電化學傳感器件在體表汗液中生理標記物的收集和檢測、體內神經化學測量及現場分析檢測（POCT）中的應用，分析并總結了可穿戴電化學傳感領域的挑戰，并展望了可穿戴電化學傳感器件的發展前景。

可穿戴電化學傳感裝置的設計與構建

（1）柔性電極制備

近年來，隨著材料科學和微納米制造技術、柔性和可拉伸電子技術的快速發展，用于生物電測量的柔性電極制備工藝和應用研究取得了長足的進步。柔性電極由基底層、電極層和封裝層3部分組成，其中基底材料和封裝材料對電極起著支持和保護的重要作用，必須具有生物相容性好、物理化學穩定性好、耐酸腐蝕性高、機械性能高、延展性好的優點。而電極層的制備材料必須具有化學惰性、生物相容性好、化學性質穩定、導電性能優異等優點，主要分為金屬材料（金、鉑、銥及其合金，鎢、不銹鋼及部分金屬氧化物）、碳材料（石墨烯、碳納米管等）和導電聚合物材料三大類。隨著微納米技術的不斷發展，基于柔性基底材料的電極制備方法日益成熟，主要包括打印技術、紫外光刻技術和磁控濺射技術。打印技術一般有絲網印刷、柔性版印刷以及凹版印刷等。紫外光刻技術和磁控濺射技術通常聯用于柔性電極的制備，但單獨使用磁控濺射技術亦可得到柔性電極。如最常用的柔性金電極通過磁控濺射技術在基底材料上制得（圖1）。具體方法為：通過磁控濺射儀器濺射出大量金屬原子，呈中性的金屬原子透過掩模版沉積在基底上，并將掩模版上的電極圖案復制到基底。

圖1 柔性金電極的制備流程圖

（2）電源模塊

可穿戴電化學傳感器件需要可穿戴儲能器件進行驅動才能正常工作，若要構建一體化的可穿戴傳感系統，必須發展安全、微型、穩定的供能器件。目前用于可穿戴傳感器件的供能器件主要是傳統的鋰電池，因此可穿戴傳感器件存在需定期維護、循環充電和電池更換等問題，不利于其進一步的發展和應用。為解決上述問題，開發柔性自供電功能的可穿戴傳感器件將成為研究重點。目前柔性自供電可穿戴傳感器件的自供電方式主要分為壓電、摩擦電和熱電3種，因其無需外接電源的優勢，在環境監測、電子皮膚、運動檢測等領域取得了廣泛的應用。

可穿戴電化學傳感裝置在汗液中生物標記物監測方面的應用

汗液中的代謝小分子主要包括葡萄糖、乳酸、酒精等小分子物質。汗液中的疾病標志物含量與其在血液中的水平具有正相關性。Jia等提出一系列紋身型可穿戴電化學乳酸傳感器用于體表汗液中乳酸的檢測（圖2A）。該方法制備了乳酸氧化酶包裹的普魯士藍修飾的絲網印刷電極，對乳酸檢測的濃度最高可達到20 mmol/L，并實現了運動過程中乳酸水平的動態監測。

葡萄糖是通過糖原異生或糖原分解產生，其在血液中的含量是糖尿病診斷的重要指標。雖然葡萄糖從血液到汗液的分配途徑尚未得到明確的驗證，但汗液中葡萄糖濃度已被證明與血糖濃度具有可靠、良好的相關性。Kim團隊發展了一系列基于柔性材料的可穿戴電化學傳感器件，用于體表汗液中電生理信號的準確測量。在最初的工作中，該團隊通過化學氣相沉積（CVD）工藝合成了高質量、大面積的石墨烯，構成了一種非常有用的新型透明、可伸縮變形的電子材料。石墨烯因具有可伸縮性、高載流子遷移率、超薄的形狀因子和生物相容性，表現出優異的力學、電學和光學性能，并被廣泛應用于消費者和醫療保健領域。這種體表石墨烯摻雜的設備裝置，僅可在汗液收集區完成汗液中葡萄糖和pH值的原位檢測，進一步結合生物可吸收、溫度響應的微針調控經皮給藥過程（圖2B），使糖尿病患者的實時在體檢測與即時治療成為可能。

圖2 可穿戴代謝分子傳感器

電解質對一些關鍵的物理化學功能至關重要，如活性膜運輸、水合作用、滲透平衡、神經傳導、肌肉激活等。在極端情況下，電解質失衡可導致昏迷、癲癇發作和心臟驟停等癥狀。因此，電解質是汗液分析研究中最廣泛的靶向生物標志物?？纱┐魇解c傳感器的代表性示例如圖3A所示，該方法集成鈉離子傳感、用于信號收集與處理的電路板模塊、藍牙模塊，通過檢測汗液中鈉離子證明了該方法的實用性（圖3B）。圖3C顯示，該方法集成鈣離子傳感器與pH傳感器，可用電位法同時檢測汗液中的鈣和pH值。通過比較體表傳感器數據和非原位汗液分析結果（pH計和電感耦合等離子體質譜儀），揭示了鈣離子傳感器與pH傳感器精確測量鈣離子和氫離子的能力（圖3D）。

圖3 可穿戴電解質傳感器

總結與展望

雖然汗液可穿戴電化學傳感器件的研制已取得重要進展，目前該器件的發展仍有如下挑戰：（1）檢測準確性受汗液分泌速率慢、汗液蒸發流失、新舊汗液交叉覆蓋、皮膚表面的一些化學物質（如護膚品、身體乳）的污染影響；（2）器件的靈敏度與精準度不足，難以滿足比血液中含量低近3個數量級的疾病標記物的檢測需求；（3）穿戴舒適度有待改善，需要發展新的柔性材料，降低集成電路板和供電電池的體積，提高材料的伸縮性和柔韌性；（4）功耗大、電池壽命短；（5）傳感界面的穩定性需提高。為解決這些問題，可以將親水性材料、微流控系統、仿生技術引入可穿戴電化學傳感器，通過降低汗液蒸發流失、新舊汗液交叉感染等提高傳感器的準確性；此外，用水凝膠、殼聚糖、多壁碳納米管等生物相容性材料負載生物酶，通過增強和保護酶催化活性，可以確保傳感器的穩定性；而用仿生皮膚材料作為基底材料，可以發展用戶友好型、無縫連接皮膚的電子皮膚器件。

另外，通過設計簡單的信號讀出體系，研究者已將可穿戴電化學傳感器件用于POCT檢測，但在復雜實際樣品測定裝置的商品化方面仍存在挑戰，這也是可穿戴電化學傳感器件POCT應用的一個重要發展方向。因此，需要針對POCT現場采樣、靈敏檢測和快速信號輸出的實際需求，優化可穿戴電化學傳感器件的結構設計，發展目標物收集與檢測一體化技術，提高POCT的選擇性、特異性，同時縮減可穿戴電化學傳感器件的制備成本。

審核編輯：劉清