全集成可穿戴传感器阵列用于多功能原位汗液分析

娄筱叮

（生物无机与药物湖北省重点实验室，华中科技大学，湖北武汉430074）

全集成可穿戴传感器阵列用于多功能原位汗液分析

娄筱叮*

（生物无机与药物湖北省重点实验室，华中科技大学，湖北武汉430074）

可穿戴电子器件能够与人体皮肤紧密贴合，实时地监测个体的生理信号，并且不会干扰或限制使用者的活动。人体汗液中含有生理上和新陈代谢上的丰富信息。因此，通过检测分析人体汗液，能够洞悉使用者的健康状态。目前的汗液分析技术，其样品的采集和样品的分析是两个分开的操作，需要宽敞的实验室以及大型的仪器装置去完成整个分析。此外，汗液分泌物蕴含有多重生理机制，如何从汗液中提取出多重信息非常关键。最近，美国加利福利亚大学伯克利实验室的Wei Gao等，设计了一款多功能集成的可穿戴生物传感器阵列，能选择性地分析汗水中的分泌物，同时检测个体皮肤表面的温度变化。将此多功能集成的可穿戴传感器与商业化的柔性印制电路结合，有效的实现了可穿戴生物传感器信号的采集、产生、调整（放大与过滤）、处理（校准与补偿）以及无线传输的一体化。基于该设计理念的汗液传感器促进了规模化、实时的生理及临床研究。这一研究成果发表于近期nature杂志上[1]。

具体来讲，多功能集成的可穿戴传感器阵列主要包含以下三个部分：第一个部分是基于氧化酶的电流检测传感器，用于检测汗液中葡萄糖和乳酸的含量。将葡萄糖氧化酶和乳酸氧化酶分别固定于两个线性多糖壳聚糖渗透膜内，使用含普鲁士蓝的Ag/AgCl电极作为二者共同的参比电极。酶传感器的电流信号与葡萄糖和乳酸的浓度成正比关系。第二部分是使用离子选择性电极（ISEs，内含聚（3,4-乙撑二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸钠（PEDOT:PSS））来检测汗水中的Na+和K+的含量，聚乙烯醇缩丁醛（PVB）包覆的碳纳米管作为参比电极。该ISEs传感器产生的电压信号与Na+和K+的含量成正比。第三部分是基于电阻值的温度传感器，由Cr/Au金属微米线组成，聚对二甲苯用作绝缘层防止皮肤和汗液接触金属线。金属微米线的电阻值与相应的体表温度对应。这三类传感器相互之间并不产生干扰，而且对目标检测物有高度选择性。而对传感器阵列的信号进行传导，调整，处理以及无线传输，则是由柔性印制电路完成。多功能集成的柔性传感器与柔性印制电路结合，制成“智能带”，能穿戴在身体的不同部位（腕、头、胳膊等），对汗液进行实时的监测与分析，通过多重信息的整合，能够分析出运动者在恒定负荷运动与梯度负荷运动状态下的生理状态。此外，通过对汗水中Na+和K+含量的实时分析，能监测运动者的脱水状态。该智能器件涉及生物酶，目前可能需要考虑其循环利用以及成本的问题，以期该汗液传感器能实现可持续、商业化的使用。

[1]Gao W,Emaminejad S,Nyein H,et al.Fully integrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspiration analysis[J].Nature,2016,529:509-514.

国家自然科学基金资助项目(面上项目21574048)

*通信联系人,E-mail:louxiaoding@hust.edu.cn