婁筱叮

（生物無機與藥物湖北省重點實驗室，華中科技大學(xué)，湖北武漢430074）

全集成可穿戴傳感器陣列用于多功能原位汗液分析

婁筱叮*

（生物無機與藥物湖北省重點實驗室，華中科技大學(xué)，湖北武漢430074）

可穿戴電子器件能夠與人體皮膚緊密貼合，實時地監(jiān)測個體的生理信號，并且不會干擾或限制使用者的活動。人體汗液中含有生理上和新陳代謝上的豐富信息。因此，通過檢測分析人體汗液，能夠洞悉使用者的健康狀態(tài)。目前的汗液分析技術(shù)，其樣品的采集和樣品的分析是兩個分開的操作，需要寬敞的實驗室以及大型的儀器裝置去完成整個分析。此外，汗液分泌物蘊含有多重生理機制，如何從汗液中提取出多重信息非常關(guān)鍵。最近，美國加利福利亞大學(xué)伯克利實驗室的Wei Gao等，設(shè)計了一款多功能集成的可穿戴生物傳感器陣列，能選擇性地分析汗水中的分泌物，同時檢測個體皮膚表面的溫度變化。將此多功能集成的可穿戴傳感器與商業(yè)化的柔性印制電路結(jié)合，有效的實現(xiàn)了可穿戴生物傳感器信號的采集、產(chǎn)生、調(diào)整（放大與過濾）、處理（校準(zhǔn)與補償）以及無線傳輸?shù)囊惑w化?；谠撛O(shè)計理念的汗液傳感器促進了規(guī)模化、實時的生理及臨床研究。這一研究成果發(fā)表于近期nature雜志上[1]。

具體來講，多功能集成的可穿戴傳感器陣列主要包含以下三個部分：第一個部分是基于氧化酶的電流檢測傳感器，用于檢測汗液中葡萄糖和乳酸的含量。將葡萄糖氧化酶和乳酸氧化酶分別固定于兩個線性多糖殼聚糖滲透膜內(nèi)，使用含普魯士藍的Ag/AgCl電極作為二者共同的參比電極。酶傳感器的電流信號與葡萄糖和乳酸的濃度成正比關(guān)系。第二部分是使用離子選擇性電極（ISEs，內(nèi)含聚（3,4-乙撐二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鈉（PEDOT:PSS））來檢測汗水中的Na+和K+的含量，聚乙烯醇縮丁醛（PVB）包覆的碳納米管作為參比電極。該ISEs傳感器產(chǎn)生的電壓信號與Na+和K+的含量成正比。第三部分是基于電阻值的溫度傳感器，由Cr/Au金屬微米線組成，聚對二甲苯用作絕緣層防止皮膚和汗液接觸金屬線。金屬微米線的電阻值與相應(yīng)的體表溫度對應(yīng)。這三類傳感器相互之間并不產(chǎn)生干擾，而且對目標(biāo)檢測物有高度選擇性。而對傳感器陣列的信號進行傳導(dǎo)，調(diào)整，處理以及無線傳輸，則是由柔性印制電路完成。多功能集成的柔性傳感器與柔性印制電路結(jié)合，制成“智能帶”，能穿戴在身體的不同部位（腕、頭、胳膊等），對汗液進行實時的監(jiān)測與分析，通過多重信息的整合，能夠分析出運動者在恒定負荷運動與梯度負荷運動狀態(tài)下的生理狀態(tài)。此外，通過對汗水中Na+和K+含量的實時分析，能監(jiān)測運動者的脫水狀態(tài)。該智能器件涉及生物酶，目前可能需要考慮其循環(huán)利用以及成本的問題，以期該汗液傳感器能實現(xiàn)可持續(xù)、商業(yè)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.

國家自然科學(xué)基金資助項目(面上項目21574048)

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