运动人体汗液收集与分析方法的研究进展

耿 雪 ，覃 飞 ，瞿超艺 ，徐旻霄 ，赵丽娜 ，赵翠翠，冯亦唯，赵杰修*

出汗是人体维持体温的重要调节方式，主要分为非显性出汗和显性出汗，二者形成机制不同（张文欢等，2018a）。非显性出汗形成机制较为复杂，研究主要集中于生物医学、服装设计等领域；显性出汗是当机体处于高温环境和/或运动时由汗腺分泌，产生可被机体感知的汗液（李标，2016）。对于进行运动的人而言，骨骼肌收缩产生的热量会使机体热量迅速增加，汗液的蒸发成为机体运动时的主要散热方式（Baker，2017；Sawka et al.，2011；Wenger，1972）。此外，出汗还可以承担部分肾脏器官排泄代谢产物的功能，对内环境的稳态具有十分重要的作用（范一强等，2017）。

汗液成分复杂，由99%的水和1%的溶质构成，这些溶质包含了多种电解质（钠离子、氯离子、钙离子和钾离子等）、代谢产物（乳酸、丙酮酸和尿酸等），以及氨基酸、尿素类含氮化合物等（Promphet et al.，2019；Sato et al.，1989）。对于运动员而言，通常通过了解出汗率和电解质丢失程度评估机体的水合状态，防止出现脱水、中暑，造成肌肉痉挛、热射病等严重后果，同时有助于日常训练和比赛期间的机能监控和恢复（Moyer et al.，2012；Sakharov et al.，2010）。此外，与血液、尿液、唾液等其他体液相比，汗液的来源广泛，具有可快速获取且无创无痛等优势，使其成为一种理想的监测体液样本（张伟，2019）。

传统汗液检测方法步骤繁琐，设备不宜携带，难以实现动态监控，易污染样品，且不利于汗液相关指标分析结果的准确性（Hoekstra et al.，2018；Jadoon et al.，2015）。近年，随着微流控技术和柔性可穿戴化学传感器的快速发展，为实现实时、连续、精准、便捷地检测及分析汗液相关指标提供可能。本研究系统梳理了多种汗液收集与分析的方法及应用，比较其优势及局限性，并介绍了柔性可穿戴传感器的最新研究进展，阐述其在体育领域的应用前景。

1 汗液的收集与处理方法

汗液的获取是精准检测的基础，分为全身收集法（whole-body washdown，WBW）和局部收集法（杨则宜等，1984）。WBW包括全身冲洗和收集衣物浸泡等步骤，如Baker等（2019）为量化不同运动强度下的汗液电解质损失及工作负荷对全身汗液电解质Na＋、K＋、Cl−浓度的影响，让受试者用去离子水冲洗全身，穿戴去除任何电解质的衣物进行运动，运动完成后再次冲洗全身，最后将实验过程中接触到受试者的所有衣物都进行漂洗以收集完整汗液。Baker等（2011）还采用此法对汗液中金属元素钙（Ca）、镁（Mg）、铜（Cu）、锰（Mn）、铁（Fe）和锌（Zn）的浓度进行测定。对其准确性进行验证的结果表明，使用WBW方法对汗液Na＋、Cl−和K＋的回收率分别为101%、107%和96%，变异系数分别为4%、8%和18%，证明全身收集法适用于出汗量、出汗率及电解质等物质浓度的测定，且结果精准（Baker et al.，2018）。

局部收集法是使用吸汗贴片、纱布海绵、滤纸、Parafilm M保护套或塑料汗液收集器等可吸纳液体的物质放置于皮肤表面上，完成汗液收集的方法（Baker，2017）。自Havenith等（2008）将新型吸收性材料应用于大面积人体皮肤表面后，经多位研究人员改良后形成吸汗贴片法，该方法在使用前需将受试者待测皮肤表面用蒸馏水或去离子水清洗，无菌纱布擦干后贴上吸汗贴片，然后将贴片中的汗液放入管中进行处理分析。有研究提出，不同取样部位可能导致检测结果不同，采用局部收集法与全身冲洗法测试后证明，不同部位的检测结果的确存在差异，但两种收集法得出的Na＋浓度高度相关，且由经验丰富的测试员进行标准化操作时，吸汗贴片法的操作结果相对可靠（Baker et al.，2009；Dziedzic et al.，2014）。此外，王晨（2016）和许弟群等（2012）分别选用医用纱布和乙烯袋收集汗液，经离心后分析完成机体水合状态及其离子变化的测定。还有研究将去离子水处理后干燥的无灰滤纸放入自封袋，覆盖于清洁后的皮肤表面以收集汗液（薛滔，2010）。

汗液收集的方法众多，全身收集法和局部收集法各具优点，也各有不足。相关研究比较二者在收集汗液分析其矿物质元素Ca、Mg和Cu，以及电解质 Na＋、K＋、Cl−浓度的可靠性上证明，相较于局部收集法，全身收集法的样本收集更具完整性，也更可靠（Baker et al.，2011，2018）。不过考虑到全身收集法操作过程的复杂性和不方便性，现有研究多倾向于使用局部收集法（张文欢等，2018b；Baker，2017）（表 1）。有研究显示，在检测汗液 Na＋浓度时选用四肢作为采样部位较为可靠，尤其是前臂（Baker et al.，2018）；还有研究建议采样时间控制在5 min之内，以降低汗液收集装置长时间粘附皮肤对汗液流速造成的不利影响（Morris et al.，2013）。以上研究结果一定程度上提高了局部汗液收集法的可靠性，使其得到广泛应用，尤其是吸汗贴片法。虽然由于运动强度（Baker et al.，2019）、收集汗液所选用的解剖位（Baker et al.，2018）、受试者性别以及运动速度（Lara et al.，2016）因素，使局部收集法的测试结果不甚统一，但其对局部出汗率及汗液中某些重要物质的浓度估算较为可靠，且可以通过选择合理的贴片黏贴位置、贴片数量、贴片收集时间等提高局部收集汗液的精准度，因此研究人员可根据实际情况、待测物质性质有选择地使用汗液收集方法。目前，除取样部位以外，鲜见关于性别、运动强度、皮肤温度等因素对局部汗液收集结果的影响研究，还需进一步深入探究。

表1 传统汗液收集与分析的相关研究Table 1 Study on Collection and Analysis of Traditional Sweat

以上汗液收集方法均针对显性出汗，但在环境温度16℃以下，受试者在运动功率为20 W、运动时间为20 min与运动功率为40 W、运动时间为10 min的状态下都处于非显性出汗阶段，即机体在运动过程中也产生非显性出汗量，因此从监测严谨性和完整性的角度，非显性出汗量的测量也属于汗液检测，该部分的监测可使结果更精确，也对运动服饰舒适性和皮肤健康程度的评价等研究具有重要意义（李标，2016）。非显性出汗的检测也分为整体和局部测量，前者可通过受试者人体质量损失和呼出的水蒸气之差进行测量，后者又分为动态箱法和静态箱法（李标，2016；李标 等，2016；Imhof et al.，2009）。目前，针对非显性出汗的研究主要集中于服装设计和医学烧伤领域。精简操作流程、提高检测精度、降低测试费用等问题的解决仍需广大科研人员的共同努力（张文欢等，2018c）。

2 汗液化学成分和浓度分析技术

汗液成分分离和定量的传统方法需要通过离心、萃取、色谱和/或质谱等步骤，研究人员常根据待测物质的不同性质选用不同的方法（Jadoon et al.，2015）。在运动领域关于运动员汗液的电解质（Na＋、K＋、Cl−）、乳酸、丙酮酸、氨基酸、尿素等物质的测定较为常见。

2.1 对汗液电解质的检测

运动过程中，体温调节性出汗会导致水分和电解质的丢失，尤其是在高温环境和/或运动强度较大、持续时间较长的情况下（Baker，2017）。电解质的丢失及其失衡会给机体造成严重后果，从生理和健康的角度看，汗液中Na＋、Cl−、K＋和Ca2＋在液体平衡、肌肉收缩和神经传导中起着重要作用。

对汗液电解质的分析技术包括离子选择电极法（ion-selective electrode，ISE）、离子色谱法（ion chromatography，IChr）、火焰光度法（flame photometry，FP）、离子电导率（ion conductivity，IC）和电感耦合等离子体质谱法（inductively-coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）等（Baker，2017）。吴卫兵等（2013）采用ISE发现，随着运动员热适应的有效建立，其汗液Na＋、Cl−浓度显著性下降；Miller等（2020）也使用该技术证明通过检测汗液Na＋、Cl−和K＋浓度及出汗率指标结果，可对易患运动性肌肉痉挛的美式足球运动员起预测作用。还有研究分别采用IChr、FP检测技术以探究运动强度、运动速度和性别差异对汗液电解质浓度的影响（Baker et al.，2019）。

此外，多种分析方法对汗液Na＋浓度分析结果可能存在的差异也受到学者们的关注。虽然Dziedzic等（2014）采用ISE、FP和电导率多次检测Na＋浓度，证明不同分析技术测定值之间有很高的相关性，但Goulet等（2017）通过IC、FP、直接离子选择电极（direct ion-selective electrode，DISE）、间接离子选择电极（indirect ion-selective electrode，IISE）和IChr 5种检测方法表明不同的分析技术所得结果仍有细微差别，继而导致基于此提出的推荐补充值不够精确，这对出汗量很大的人而言，可能造成不良影响，因此应谨慎对待。

2.2 对汗液乳酸和丙酮酸的检测

乳酸、丙酮酸作为糖酵解的代谢产物，其水平及二者间比值的变化可反映（组织）缺血、缺氧程度、无氧代谢情况及机能状态，常用于评价运动员疲劳和恢复情况，同时也对高血压、糖尿病等疾病的监测有重要的参考价值（范一强等，2017；Biagi et al.，2012）。汗液中乳酸和丙酮酸浓度的传统检测方法包括酶分析法、毛细管区带电泳法、液相色谱质谱联用（liquid chromatography with mass spectrometric detection，LC-MS）等。其中酶分析较为常见，如Buono等（2010）用乳酸分析仪检测运动后受试者的汗液乳酸浓度，证明运动强度会对汗液乳酸浓度和乳酸排泄率产生影响；Jin等（2001）采用毛细管区带电泳法，在恒电位为1.6 V的碳纤维微盘束电极上测定人体汗液中丙酮酸的含量。还有学者探索性地建立一种简便、快速测定的反相高效液相色谱法，该方法可以同时检测汗液中乳酸和丙酮酸浓度，经有效性验证结果显示，反相高效液相色谱法对汗液乳酸和丙酮酸的回收效果及检测结果较好，具有投入实际应用的价值（Biagi et al.，2012）。

2.3 对汗液氨基酸的检测

氨基酸是满足运动员高水平能量代谢及组织修复更新的基础能量，监测其变化水平具有重要意义（Wu，2013）。氨基酸的分析方法包括质谱法（mass spectrometry，MS）、气相色谱法（gas chromatography，GC）、高效液相色谱法（high performance liquid chromatography，HPLC）、LC-MS和气相色谱质谱联用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）技术等。Delgado-Povedan等（2016）采用LC-MS/MS分析方法证明汗液可作为临床研究中氨基酸定量分析的样品，离心式微流控固相萃取法的使用可使结果更准确。还有学者采用气相色谱仪氢火焰离子检测技术（gas chromatography flame ionisation detection，GC-FID）对汗液氨基酸进行分析，结果显示，女性在运动和/或炎热条件下比男性更容易发生关键氨基酸丢失；Delgado等（2017）和Murphy等（2019）也采用此技术证明运动刺激汗液成分发生改变，包括氨基酸含量。

2.4 对其他指标的检测

汗液pH可反映被试者的出汗量、皮肤状态等问题，继而间接了解其脱水程度（Ciszek，2017）。传统的汗液pH检测需要用化学试剂、显色试纸或pH计等（陈玲，2019；Meyer et al.，2007）。由于传统检测pH方法耗时较长且无法实现实时测量，故使用不便，这些问题在汗液传感器出现后得到有效解决。葡萄糖作为机体直接供能的能源物质，其含量的高低与体内器官、系统的功能运转，以及运动机能状态的维持等密切相关；尿素作为汗液代谢产物，其水平的紊乱与多种疾病相关（范一强等，2017；Harvey et al.，2010）。因此，Harvey等（2010）使用酶分析试剂盒，对汗液中的葡萄糖和尿素水平进行测定。此外，汗液中矿物质铜、铁、锰、锌的浓度检测则可通过发射光谱法测量（Baker et al.，2011）。

3 可穿戴汗液传感器

3.1 概述

自20世纪50年代以来，汗液的成分分析，尤其是相关生物标志物及其形成机制等问题一直是重要研究内容。虽然学界早已认识到汗液可能作为一种医学诊断工具，但直到21世纪，随着微流控芯片、可穿戴传感器和智能设备的发展才使其成为可能。相较于传统的汗液检测技术而言，柔性可穿戴汗液传感器的出现极大程度地解决了操作复杂、耗时较长、成本较高、需要专业人员实施且难以实时、连续监测等问题，将汗液的收集、处理和分析等步骤合而为一，方便了人们的日常健康管理和疾病监测，在竞技健身领域也有着极其广阔的应用前景。

化学传感器、微流控技术和柔性基底材料是产生柔性可穿戴汗液传感器的重要技术。化学传感器是指通过特异性识别系统的器件与目标物质发生特异性反应，通过电子技术将该信息按照待测物浓度等比例转化为电信号，并对数据进行处理、分析等以完成目标物质定性及定量分析的装置（安清波，2019）。不同传感器的检测原理差异较大，目前研制的汗液传感器主要通过电化学分析法、比色法和光学法等进行检测（表2），其中电化学分析法检测结果更精确、应用范围更广（张伟，2019）。不同的分析方法均有其优势和不足（表3）。

表3 汗液传感器检测主要分析方法、原理及优缺点比较Table 3 Main Analysis Methods，Principles，Advantages and Disadvantages of Sweat Sensor Detection

传统汗液样本的收集极易出现蒸发、被污染以及新旧汗液混合等问题，干扰成分分析结果的精准度（张伟，2019）。微流控是一种可在微纳米尺度空间中对流体进行精确控制和操控的技术，具有将生物和化学实验室的基本功能缩微到一颗几平方厘米芯片上的能力；它可利用汗液分泌压力和毛细管作用将汗液从表皮引导到通道内进行连续采样，这种封闭式传感可消除外部污染的同时，防止汗液蒸发导致的汗液成分浓度变化（王虎等，2014；Liu et al.，2020）。此外，该技术相较于传统方法而言，具有对待检测样本需求量低、所用检测试剂需求量少和能够连续检测的优势（范一强等，2017）。

为实现汗液成分的实时、连续监测，满足人们在不同姿势、运动状态的汗液检测需求，可穿戴汗液传感器应运而生。这种传感器的基底具有生物相容性、舒适性和可伸缩性等特点，可使其与柔软、弹性、曲形的皮肤和肢体曲面有效贴合。目前，随着材料学的发展，研究人员已将多种基材用于汗液传感器中，包括商业化的聚合物［如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等］、纺织品、纸和纹身贴片等（Promphet et al.，2019）。

3.2 柔性可穿戴汗液传感器的应用

3.2.1 出汗率

对出汗率的准确、实时监测是防止运动人员出现脱水、中暑等不良反应，提供科学补液的基础，因此用于检测出汗率的柔性可穿戴汗液传感器出现较早。Salvo等（2010）研发出集成于纺织品基材上的出汗率传感器，将其贴于皮肤表面，并通过蓝牙接口进行实时数据采集以完成出汗率的监测。Jia等（2018）设计的汗液传感器，改变了直接贴附在皮肤表面测量出汗量的常规方式，采用直接嵌入到日常衣物中的方式，通过系统比较个人历史数据，将个性化结果通过手机应用程序呈现。还有学者利用可导电纸研制了一种可穿戴纸基电化学传感器，其特点是无需校准，能通过监测电阻值的变化情况来实时测量汗液，对出汗量的监测具有较高的灵敏度和重复性（Parrilla et al.，2019）。

3.2.2 电解质

由于汗液电解质中某些离子水平是反映机体水合状态和糖尿病等疾病的参考性指标，因此监测汗液中特定离子水平的可穿戴汗液传感器的研究较多。Schazmann等（2010）研制出一种集汗液刺激、收集、储存和分析为一体，可实时监测汗液中Na＋浓度的可穿戴传感器。Parrilla（2016）和Choi（2017）分别使用商用碳纤维和PET材料成功制成Na＋、Cl−汗液传感器，后者经不同运动负荷试验后，证明其在健身领域具有广阔的应用前景。还有学者通过3D打印平台制成双镜射流装置，当其吸取汗液后可与两个独立的离子选择性电极接触产生电位信号，继而实现对Na＋、K＋浓度的同时监测（Pirovano et al.，2020）。此外，Hoekstra等（2018）还介绍了一种低阻抗、低功耗的纸基可穿戴电位传感器，该传感器汗液样品的回收率可达（95.2±6.6）%，在体实时监测结果可在手机应用程序上进行可视化阅读，适用于但不限于汗液中总电解质水平的监测应用。

3.2.3 乳酸

乳酸含量的高低可反映机体无氧代谢水平，通过对汗液中乳酸值的监测可及时了解运动人员的疲劳和恢复情况，促进科学合理的安排训练，防止运动损伤的发生。Cai等（2010）以鲁米诺为信号，研制了一种基于电化学发光的乳酸生物传感器，该生物传感器对乳酸的检出限为8.9×10-12mol/L，相对标准差为4.13%（CLA1.34×10-10mol/L，n=6），对实际汗液样品的平均回收率为101.3%。Guan等（2019）开发出一种新型自供电可穿戴汗液-乳酸分析仪，通过附着在运动员皮肤上的集成分析仪主动检测汗液-乳酸浓度，并无线传输到外部平台，形成运动数据。Mao等（2019）研制出一款自供电电生物传感器，将该装置贴合到运动员身上后，不仅可以实时监测运动员的汗液乳酸浓度，还可以分析其运动速度、频率和关节角度，此传感器可实现个人运动生理监测和时间运动分析，用于科学选拔优秀运动员，制定适合个人的运动训练方案。

3.2.4 pH

Promphet等（2019）研制出同时测定汗液pH和乳酸的非侵入性纺织品比色传感器，随着pH和乳酸浓度的增加，pH指示剂由红变蓝，乳酸指示剂紫色程度加深，通过将这些颜色与标准比色卡比较得出结果，由于该传感器的基底为纺织品，故可将其放置于运动服和配饰中，具有较高的使用灵活性。Zamora等（2018）采用电位法设计了一款织品pH传感器，证明了不锈钢网布在在体测量中的性能表现最好。还有研究采用线和纸相结合的方式构建可穿戴线/纸微流控比色分析器件，通过与智能收集信号系统相偶联，实现人体汗液中pH、乳酸和葡萄糖含量的原位检测，提示，线基微流控装置在人体汗液分析中也有一定的应用价值（肖刚，2019）。

3.2.5 其他

除了电解质、乳酸、pH和出汗率之外，还有以葡萄糖、尿素、尿酸、氨基酸等物质为检测目标的可穿戴汗液传感器，其中用于葡萄糖含量监测的可穿戴汗液传感器研究较多。王裕生（2019）以PET为基底，采用电化学分析法制备柔性葡萄糖传感器分析机体葡萄糖含量变化。还有研究在织物上覆盖温敏型形状记忆材料—聚氨酯，建造温度响应型织物流控器件，通过将其与纸基葡萄糖显色传感器整合，构建出温度响应织物/纸基流控分析装置，该传感器可以实现高温环境下人体汗液葡萄糖水平的分析，有望成为高温环境中作业人群的监测手段（何静，2019）。

刘蓉（2018）以金纳米管和碳纳米管为柔性电极材料，结合分子印迹与酶传感技术，成功研制出一种可以检测人体汗液中尿素含量的高性能可穿戴电化学传感器。周靓等（2020）构建了以pH柔性膜电极和尿酸柔性膜电极为基础的贴敷式柔性一体化电化学传感器，实现可穿戴、在体、实时、无创测定汗液中尿酸浓度的检测。还有研究将CO2激光雕刻技术应用于可穿戴汗液传感器的制作，用于汗液中低浓度的尿酸和酪氨酸，以及受试者的温度和呼吸频率指标的监测（Yang et al.，2020）。

4 小结与展望

汗液中包含着多种生物标志物，对其精准、实时、连续的检测可帮助教练员和科研人员及时了解运动员的机能状态，辅助科学合理的安排训练，促进运动员的疲劳恢复和运动水平的提高。传统汗液检测方法众多，可针对待测物性质有选择性地使用，检测结果较为精准，但操作复杂、耗时较长、不能连续测量且难以实现在多种运动环境下检测的需要，无法及时提供指标参考信息。柔性可穿戴性汗液传感器的出现极大程度地解决了以上问题，但其发展还处于初级阶段，仍有诸多不足需要解决。

1）汗液检测结果的意义是基于生物标志物的水平反映机体的生理机能状态，但汗液中某些物质与健康之间的关系尚未明确，有待进一步确定；

2）目前可穿戴汗液传感器的检测指标较为单一，如何集成多指标检测有待进一步发展；

3）酶对各种刺激、环境因素较为敏感，而现有的可穿戴汗液传感器大多为酶基传感器，因此非酶基汗液传感器的发展是技术难点；

4）汗液成分因人而异，也因机能状况而定，如何有针对性地分析汗液检测结果，得出个性化指导方案，也是其应用的一大现实问题；

5）柔性穿戴汗液传感器的整合性、舒适性、重复使用性、稳定性以及数据保密性等问题需要不断提高重视程度。

总之，可穿戴汗液传感器因其实时、连续性检测等优势，可与传统检测方法共同促进汗液检测的发展，在竞技体育和群众体育中有极强的应用前景和价值。