于 倩，吳 潔，李樂樂，鞠熀先

（南京大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 生命分析化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023）

可穿戴電化學(xué)傳感器件是一種將軟硬件設(shè)備、電化學(xué)傳感器和無線通信等技術(shù)，與日常穿戴的衣物（衣服、腕帶、貼片或紋身等）相結(jié)合的智能電子設(shè)備［1］，集電化學(xué)方法、可穿戴傳感技術(shù)、電子信息技術(shù)與無線通信技術(shù)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(nèi)，對(duì)生命活動(dòng)相關(guān)的生理信息進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測［2-4］。隨著電子通信技術(shù)的快速發(fā)展，可穿戴電化學(xué)傳感器件可將檢測到的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，并快速收集和計(jì)算，進(jìn)一步通過無線藍(lán)牙將數(shù)據(jù)上傳到云端建立大數(shù)據(jù)庫。采集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步通過醫(yī)院或研究所，對(duì)獲取的個(gè)人生理數(shù)據(jù)分析診斷，快速給出個(gè)人身體狀況結(jié)果和健康有效的管理或治療方案，以克服集中式醫(yī)療保健系統(tǒng)存在的耗時(shí)、不能及時(shí)解決病人需要的弊端，為個(gè)性化醫(yī)療保健領(lǐng)域的發(fā)展提供支持［5-6］。目前，可穿戴電化學(xué)傳感器件的發(fā)展已不限于分子水平上的人體生理健康指標(biāo)監(jiān)測，還能與物理傳感器集成，提供人體心率、血壓、溫度等行為信息［7］，甚至與經(jīng)皮藥物傳輸模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)疾病的實(shí)時(shí)監(jiān)測、診斷和治療［8］。

可穿戴電化學(xué)傳感器件通過無線藍(lán)牙等通信技術(shù)與智能移動(dòng)終端設(shè)備連接完成數(shù)據(jù)交互、云端交互。近年來，隨著材料科學(xué)、微納米加工技術(shù)、電子通信技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域的交叉與合作，可穿戴電化學(xué)傳感器件已被廣泛應(yīng)用于藥物分析、環(huán)境監(jiān)測、疾病診斷與醫(yī)療保健等領(lǐng)域。本文主要針對(duì)可穿戴電化學(xué)傳感器件的研制和應(yīng)用，概括了其設(shè)計(jì)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(jié)了可穿戴電化學(xué)傳感器件在體表汗液中生理標(biāo)記物的收集和檢測、體內(nèi)神經(jīng)化學(xué)測量及現(xiàn)場分析檢測（POCT）中的應(yīng)用，分析并總結(jié)了可穿戴電化學(xué)傳感領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，并展望了可穿戴電化學(xué)傳感器件的發(fā)展前景。

1 可穿戴電化學(xué)傳感器件的研制

可穿戴電化學(xué)傳感器是集成傳感技術(shù)與無線電子通信技術(shù)于一體的智能檢測設(shè)備，其制備工藝主要包括電化學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)與構(gòu)建、電路采集模塊的硬件研制、無線藍(lán)牙模塊的集成、安卓端APP的研制和電源模塊的組裝（圖1）。可穿戴電化學(xué)傳感器件接通電源后，在電化學(xué)傳感界面引入待測樣品，目標(biāo)物與傳感界面的識(shí)別元件發(fā)生特異性反應(yīng)，產(chǎn)生的生物化學(xué)信號(hào)被電路采集模塊收集、調(diào)制、轉(zhuǎn)換為可檢測的電信號(hào)，進(jìn)一步通過無線藍(lán)牙模塊將收集到的電信號(hào)傳輸?shù)揭苿?dòng)終端（手機(jī)或電腦），并利用終端設(shè)備上的APP對(duì)接收的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以可視化的數(shù)字形式呈現(xiàn)在APP界面。

圖1 可穿戴電化學(xué)傳感器件的制備工藝流程圖Fig．1 Schematic representation of the flow chart of wearable electrochemical sensing device operation principles

1.1 可穿戴電化學(xué)傳感器件的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

電化學(xué)分析具有及時(shí)、快速、靈敏等優(yōu)勢，是目前常用于可穿戴傳感領(lǐng)域的方法［9］。可穿戴電化學(xué)傳感器是將目標(biāo)物與其對(duì)應(yīng)的識(shí)別元件在傳感界面的特異性反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可檢測電信號(hào)的傳感元件，主要包括柔性電極、傳感元件和信號(hào)傳導(dǎo)模塊3個(gè)部分。該傳感器件因具有機(jī)械性能優(yōu)異、靈敏度高、特異性好、制備簡單等優(yōu)勢，受到研究者的廣泛關(guān)注，被廣泛用于醫(yī)療保健、藥物分析等多個(gè)領(lǐng)域［10-12］。

1.1.1 柔性電極制備

人體細(xì)胞感知并將機(jī)械力（如拉伸、剪切、抓撓和壓縮）轉(zhuǎn)化為生物電信號(hào)的復(fù)雜過程被稱為機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)。目前，細(xì)胞將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為生物電信號(hào)的機(jī)制仍不清楚，因此采集、測量、解密這些指導(dǎo)細(xì)胞行為的生化線索，如腦電、肌電、眼電等，對(duì)多種生理疾病的診斷和預(yù)防具有重要作用［13-15］。電極作為生理電信號(hào)測量體系中的關(guān)鍵部件之一，能夠有效地采集、激勵(lì)、傳遞和轉(zhuǎn)換生物電信號(hào)為可檢測的電子信號(hào)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和臨床診治［16］。

除了軟骨和骨骼外，大多數(shù)組織的楊氏模量在103Pa范圍內(nèi)，但傳統(tǒng)的剛性電極的楊氏模量高達(dá)109Pa，無法與柔軟彎曲的細(xì)胞和組織兼容以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和準(zhǔn)確的檢測，甚至引發(fā)嚴(yán)重且長期的組織損傷［17-33］。為解決以上問題，以柔性電極代替剛性電極，即將電極柔性化，可與身體的曲面、柔性生物組織緊密結(jié)合并實(shí)時(shí)監(jiān)測生化信號(hào)。

近年來，隨著材料科學(xué)和微納米制造技術(shù)、柔性和可拉伸電子技術(shù)的快速發(fā)展，用于生物電測量的柔性電極制備工藝和應(yīng)用研究也取得了長足的進(jìn)步。根據(jù)不同的生物電信號(hào)獲取方式，柔性電極主要分為植入式柔性電極和非植入式柔性電極［34］。植入式柔性電極為侵入性的，主要用于體內(nèi)細(xì)胞和組織的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中生物分子的實(shí)時(shí)監(jiān)測，而非植入式柔性電極為非侵入的，主要用于生理液體中各種生化標(biāo)志物的測量。柔性電極無論是用于體內(nèi)還是體外電信號(hào)的檢測，均須具有較寬的機(jī)械變形范圍、優(yōu)異的延展性、良好的生物相容性和耐腐蝕性。

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(duì)電極起著支持和保護(hù)的重要作用［35-39］，必須具有生物相容性好、物理化學(xué)穩(wěn)定性好、耐酸腐蝕性高、機(jī)械性能高、延展性好的優(yōu)點(diǎn)。目前，用于可穿戴傳感領(lǐng)域的基底和封裝材料主要有聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）、聚對(duì)二甲苯（Parylene C）、聚酰亞胺（PI）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、纖維織物和紙張等［40-51］。柔性電極的制備材料必須具有化學(xué)惰性、生物相容性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)電性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，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(dǎo)電聚合物材料三大類［52-55］。

隨著微納米技術(shù)的不斷發(fā)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(shù)、紫外光刻技術(shù)和磁控濺射技術(shù)。打印技術(shù)一般有絲網(wǎng)印刷、柔性版印刷以及凹版印刷等［56］。紫外光刻技術(shù)和磁控濺射技術(shù)通常聯(lián)用于柔性電極的制備，但單獨(dú)使用磁控濺射技術(shù)亦可得到柔性電極［9，16］。如最常用的柔性金電極通過磁控濺射技術(shù)在基底材料上制得（圖2）。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(fù)制到基底。

圖2 柔性金電極的制備流程圖Fig．2 Schematic representation of the preparation process of flexible gold electrode

1.1.2 傳感界面構(gòu)建

可穿戴電化學(xué)傳感器件通過穿戴到體表或植入體內(nèi)的方式用于細(xì)胞、組織、生理液體、藥物或者環(huán)境中目標(biāo)分析物的原位、實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測［16］。因此，可穿戴電化學(xué)傳感器的檢測環(huán)境中成分復(fù)雜、干擾因素眾多。為保證傳感器選擇性地、準(zhǔn)確地檢測目標(biāo)物質(zhì)，發(fā)展選擇性良好、穩(wěn)定、精準(zhǔn)的傳感器非常重要?？纱┐麟娀瘜W(xué)傳感界面的制備是通過在柔性感應(yīng)電極上修飾對(duì)目標(biāo)物具有高親和性的識(shí)別元件而實(shí)現(xiàn)。

1.2 電路采集與藍(lán)牙模塊、軟件的設(shè)計(jì)及研制

1.2.1 電路采集模塊

電路采集模塊主要負(fù)責(zé)柔性傳感芯片外圍信號(hào)處理與傳輸?shù)奈⑿碗娐钒?，具體功能是將傳感界面產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行收集、儲(chǔ)存、放大、濾波、降噪等信號(hào)處理后，轉(zhuǎn)換為可視化的數(shù)字信號(hào)。因具有功耗低、體積小等特點(diǎn)，電路采集模塊能夠確保長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行［57-58］。

1.2.2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙通信技術(shù)誕生于1985年，是由Intel、IBN和Toshiba等5家公司共同制定的短距離無線射頻通信技術(shù)［59］，具有設(shè)備小、成本低、能耗低、輻射低、組網(wǎng)方便和短距離傳輸?shù)葍?yōu)勢。藍(lán)牙通信技術(shù)可滿足短距離內(nèi)大量數(shù)據(jù)的快速傳輸，而且可在特定條件下被多臺(tái)設(shè)備同時(shí)使用，這在可穿戴設(shè)備中具有非常好的實(shí)用性，因此被廣泛用于可穿戴設(shè)備中實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互［60］。

1.2.3 安卓端APP研制

可穿戴電化學(xué)傳感器件需滿足體積小且長時(shí)間監(jiān)測電信號(hào)的要求，故研發(fā)了基于便攜式移動(dòng)終端（手機(jī)或電腦）的APP以實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的可視化輸出［61］。手機(jī)軟件APP的程序設(shè)計(jì)主要包括3部分：藍(lán)牙配置、數(shù)據(jù)接收與處理系統(tǒng)、手機(jī)或電腦界面設(shè)置。用戶可在APP端注冊(cè)個(gè)人賬戶，打開移動(dòng)終端設(shè)備的藍(lán)牙開關(guān)并設(shè)置為可見，搜索、顯示并配對(duì)可穿戴設(shè)備的藍(lán)牙信號(hào)，以建立軟件與可穿戴設(shè)備的連接。軟件接收可穿戴設(shè)備發(fā)送的測試數(shù)據(jù)后，會(huì)自動(dòng)程序化地完成數(shù)據(jù)的分析處理，并通過手機(jī)或電腦界面以可視化的數(shù)字形式呈現(xiàn)［62］。

1.3 電源模塊

可穿戴電化學(xué)傳感器件需要可穿戴儲(chǔ)能器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)才能正常工作，若要構(gòu)建一體化的可穿戴傳感系統(tǒng)，必須發(fā)展安全、微型、穩(wěn)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(tǒng)的鋰電池，因此可穿戴傳感器件存在需定期維護(hù)、循環(huán)充電和電池更換等問題，不利于其進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。為解決上述問題，開發(fā)柔性自供電功能的可穿戴傳感器件將成為研究重點(diǎn)［63］。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(yōu)勢，在環(huán)境監(jiān)測、電子皮膚、運(yùn)動(dòng)檢測等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。

1.4 生物液體收集

1.4.1 汗液收集

外分泌腺的汗腺遍布人體，分布于非細(xì)胞的、多孔且充滿間質(zhì)液的角質(zhì)層中，并參與人的體溫調(diào)節(jié)循環(huán)。汗腺的分泌線圈中血管高度密集，其管道的內(nèi)直徑約為5~40 μm，長約2~5 mm，厚度約為1~3個(gè)上皮細(xì)胞。表皮內(nèi)分布大量管道，其內(nèi)直徑約為10~20 μm，長度約為2 mm，由雙層的立方上皮組成。長度約為200~300 μm的線圈導(dǎo)管橫穿上皮層和角質(zhì)層，大多數(shù)代謝小分子或電解質(zhì)均通過細(xì)胞間擴(kuò)散運(yùn)輸作用進(jìn)入汗腺分泌導(dǎo)管［64-65］。汗液分泌過程以脈動(dòng)的方式進(jìn)行。單個(gè)汗腺的汗液生成速率約為0．1~10 nL·min-1，有時(shí)在高汗液生成速率下，汗腺會(huì)以每隔幾分鐘分泌5 nL汗液的速度快速分泌汗液。根據(jù)身體位置的不同，汗腺密度從每平方厘米數(shù)十到數(shù)百個(gè)腺體不等［66-67］。因此，產(chǎn)生的總汗腺率從每平方厘米1 nL到數(shù)千nL不等。此外，由于汗液蒸發(fā)流失、生物標(biāo)記物豐度低、易被污染并降解，因此提出并發(fā)展快速、精準(zhǔn)、原位、實(shí)時(shí)的汗液收集裝置是保證可穿戴汗液傳感器件高準(zhǔn)確度、精密度、穩(wěn)定性、重復(fù)性的必要條件。

1.4.1.1 基于超親水材料汗液收集裝置隨著交叉學(xué)科的融合發(fā)展，混合制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并被迅速應(yīng)用于可穿戴傳感領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)智能電子器件無縫穿戴到人體皮膚，完成體表生物液體中生物標(biāo)志物的檢測。Wang團(tuán)隊(duì)集成紋身轉(zhuǎn)移與絲網(wǎng)印刷技術(shù)發(fā)展了紋身型-表皮可穿戴電化學(xué)傳感系統(tǒng)（圖3A），用于汗液中乳酸［68］、氫離子［69］及尿酸［70］的實(shí)時(shí)監(jiān)測。上述研究利用雙面膠直接將功能化電極緊貼皮膚表面。當(dāng)人體通過一段時(shí)間的不間斷高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)后，產(chǎn)生的汗液體積可以浸濕并連通工作電極與參比電極，可穿戴汗液傳感器開始檢測目標(biāo)物并迅速輸出電化學(xué)信號(hào)。由于體表汗液易迅速擴(kuò)散或蒸發(fā)流失，以及電極修飾材料可能會(huì)在人體運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生形變而脫落，這些問題均會(huì)降低傳感器的檢測性能和使用壽命。為進(jìn)一步提高汗液的利用率和收集效率，仍需要發(fā)展新的汗液檢測方法。Gao團(tuán)隊(duì)［2］引入具有親水性的人造纖維墊片置于傳感電極下方，使其與皮膚緊密接觸，以收集足夠汗液用于目標(biāo)物的原位分析，同時(shí)避免了傳感電極與皮膚直接接觸，保證檢測穩(wěn)定性（圖3B）。大多數(shù)情況下，在可穿戴汗液傳感器件中汗液收集區(qū)域和汗液檢測區(qū)域并不是同一位置，因此高效的汗液傳輸效率對(duì)于提高傳感器的檢測準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性也十分重要?；谶@一設(shè)計(jì)思路，He等［71］根據(jù)中心超親水-外圍超疏水結(jié)構(gòu)形成超親水“微井”的原理，設(shè)計(jì)出高效的汗液收集與檢測可穿戴貼片（圖3C）。該方法集成卷對(duì)卷涂布納米顆粒懸浮液的方法和陰影掩膜-氧等離子體刻蝕技術(shù)，制備出具有超親水-超疏水結(jié)構(gòu)的可穿戴微陣列貼片，利用超疏水二氧化硅涂層收集并快速輸送汗液到超親水“微井”檢測域，以完成汗液原位收集與分析。

1.4.1.2 基于微流控汗液收集裝置汗腺分泌汗液并傳輸?shù)襟w表的過程中伴隨壓力高達(dá)70 000 N·m-2。根據(jù)P=2γ/r公式轉(zhuǎn)化計(jì)算，該壓力足夠?qū)⒑挂簼B透進(jìn)入一個(gè)半徑約為2 μm的疏水性的小孔中（表面張力γ≈70 mN·m-1）。因此，體表分泌汗液產(chǎn)生的壓力足夠?qū)⒑挂鹤⑷胛⒘黧w或采樣設(shè)備（數(shù)十至數(shù)百微米）［72］。最近的研究表明，微流體系統(tǒng)以薄、軟、皮膚兼容的形式呈現(xiàn)，當(dāng)汗液通過毛孔流出時(shí)，緊貼皮膚的進(jìn)樣口可直接從皮膚捕獲汗液，并通過閥門、分離器和儲(chǔ)層實(shí)現(xiàn)人體皮膚表面精確位置處汗液分泌速率和化學(xué)成分的監(jiān)測。微流控裝置可以立即將體表新鮮分泌的汗液與皮膚分離，降低汗液蒸發(fā)流失并最大限度地減少外部污染。該裝置還可以封裝和保護(hù)傳感器，使其免受皮膚表面碎屑和油脂造成的生物污染和環(huán)境污染。先進(jìn)的微流體設(shè)計(jì)，適應(yīng)于芯片上的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的概念，利用復(fù)雜的閥門、分離器處理、微通道分流策略，將汗水引到多個(gè)孤立的傳感區(qū)域，從而減少了不同傳感器間的交叉干擾［66，73］。

微流控裝置完全由低模量彈性體組成，能夠舒適、無刺激、無縫緊貼皮膚。入口/出口尺寸、通道幾何形狀、粘附界面和材料選擇的具體設(shè)計(jì)策略對(duì)于汗腺分泌汗液產(chǎn)生的壓力驅(qū)動(dòng)體表汗液進(jìn)入微流控裝置至關(guān)重要［66，74］。Rogers團(tuán)隊(duì)提出一種柔軟的、與皮膚兼容的微流體設(shè)備平臺(tái)，用于對(duì)微升汗液進(jìn)行連續(xù)捕獲和光學(xué)或電化學(xué)分析［75-78］。上述研究通過模擬計(jì)算和一系列科學(xué)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)深入探究了體表汗液生成動(dòng)力學(xué)，集成微流控芯片裝置與柔性傳感電極，實(shí)現(xiàn)了汗液中多種電解質(zhì)（氫離子、鈉離子、鉀離子、氯離子）的檢測，并為汗液分泌速率與汗液中各種生物標(biāo)記物的含量變化關(guān)系的研究提供了可選擇的技術(shù)手段。該團(tuán)隊(duì)提出的多功能微流控傳感裝置（圖3D），通過比色法進(jìn)行體表汗液中代謝小分子葡萄糖與乳酸的檢測，引入免疫傳感方法用于汗液中皮質(zhì)醇的檢測，同時(shí)利用電化學(xué)阻抗法監(jiān)測汗液的生成速率［78］。該方法通過光學(xué)和電學(xué)分析方法成功用于志愿者的汗液中葡萄糖、抗壞血酸、皮質(zhì)醇、汗液生成速率的實(shí)時(shí)監(jiān)測。但該團(tuán)隊(duì)提出的汗液微流控傳感裝置大多采用比色法檢測汗液中的電解質(zhì)和小分子。與光學(xué)分析法相比，電化學(xué)方法具有更簡單、快速、靈敏的特點(diǎn)，因此發(fā)展集成電分析方法與微流控技術(shù)的可穿戴電化學(xué)傳感器件是非常有意義的。不僅如此，傳統(tǒng)的微流控芯片由疏水性聚二甲基硅烷（PDMS）制備，主要采用汗腺分泌并傳輸汗液到皮膚表面時(shí)產(chǎn)生的壓力驅(qū)動(dòng)汗液進(jìn)入微流控通道，但該方法要求微流控芯片無縫連接皮膚，且要求裝置具有高密閉性［77-79］。這大大增加了產(chǎn)品的制備成本和制備工藝的復(fù)雜程度。針對(duì)以上挑戰(zhàn)，東南大學(xué)Liu等［80］利用超親水滌綸線設(shè)計(jì)并提出了具有親水性微通道的微流控汗液傳感裝置，通過毛細(xì)效應(yīng)驅(qū)動(dòng)體表汗液沿著微通道快速流入傳感區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了汗液中鈉離子的原位在體檢測（圖3E）。

圖3 可穿戴汗液收集裝置Fig．3 Wearable sweat-collecting devices

1.4.1.3 基于仿生技術(shù)汗液收集裝置仿生學(xué)是一種對(duì)生物個(gè)體或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特征進(jìn)行提取、研究、模仿、學(xué)習(xí)并重構(gòu)的現(xiàn)代技術(shù)［81］。通過仿生技術(shù)制得的材料具有與生物體相似的結(jié)構(gòu)和功能，被廣泛用于醫(yī)療、智能穿戴、機(jī)器人等領(lǐng)域［82-88］。根據(jù)目前國內(nèi)外的仿生技術(shù)研究現(xiàn)狀和應(yīng)用范圍，研究者將仿生技術(shù)分為以下類型：①結(jié)構(gòu)仿生：通過對(duì)生物個(gè)體或組織的研究學(xué)習(xí)，構(gòu)建類生物組織結(jié)構(gòu)的技術(shù)產(chǎn)品；②功能仿生：通過學(xué)習(xí)、研究、模仿并重構(gòu)具有與相應(yīng)生物體的結(jié)構(gòu)與功能相仿的技術(shù)產(chǎn)品；③材料仿生：研制與開發(fā)模擬生物特征的仿生材料如電子皮膚、仿生組織或器官；④力學(xué)仿生：通過研究并模擬具有人體靜態(tài)特征結(jié)構(gòu)的仿生產(chǎn)品；⑤控制仿生：主要分為低級(jí)神經(jīng)元仿生學(xué)、先進(jìn)的神經(jīng)元仿生學(xué)和進(jìn)化機(jī)制的神經(jīng)元仿生學(xué)。

目前，研究者除了模擬各種生物體的多尺度表面形態(tài)，還致力于將仿生技術(shù)產(chǎn)品集成到智能設(shè)備和系統(tǒng)，促進(jìn)智能可穿戴電子器件、智能生物電子學(xué)［89-90］、納米/微米結(jié)構(gòu)機(jī)器和機(jī)器人技術(shù)［86］、電子皮膚等領(lǐng)域快速發(fā)展［91-92］。仿生-生物電子系統(tǒng)可以強(qiáng)力附著在人體內(nèi)器官或組織和體外皮膚表面，具有良好的柔韌性、生物相容性、粘附性，被廣泛應(yīng)用于可穿戴生物電子領(lǐng)域［93-94］。為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)的人體健康監(jiān)測，可穿戴傳感裝置不僅需要與皮膚保持穩(wěn)定且牢固粘附，而且要能夠捕獲各種生物液體（如汗水、唾液、眼淚和血液），以便對(duì)其中的生理信息進(jìn)行定量和動(dòng)態(tài)監(jiān)測［95-97］。因此，為實(shí)現(xiàn)這種可穿戴傳感器件的更高功能，需要發(fā)展可逆使用型、用戶友好型和穩(wěn)健粘附型的創(chuàng)新性的可穿戴電子器件。Baik等［98］受雄性潛水甲蟲剛毛中吸力柱塞的啟發(fā)，提出了一種創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，即一種智能、一體化、柔性的仿生活塞，可隨時(shí)捕獲人類皮膚表面的汗液，并用于汗液pH值的快速準(zhǔn)確分析（圖3F）。該方法在干/濕條件下建立了高度穩(wěn)健、可重復(fù)和多向的粘附性，且在仿生活塞結(jié)構(gòu)中引入pH響應(yīng)水凝膠實(shí)現(xiàn)了汗液收集與監(jiān)測的一體化。與以上仿生原理相同，Son等［99］受仙人掌-針葉的結(jié)構(gòu)功能啟發(fā)，發(fā)展了具有分層微結(jié)構(gòu)/納米結(jié)構(gòu)的超親水-超疏水楔形通道的汗液收集貼片，可以有效地收集汗液，并快速和連續(xù)監(jiān)測汗液中的葡萄糖、乳酸（圖3G）。該貼片利用超疏水/超親水表面材料與仿生微納米結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，產(chǎn)生單向拉普拉斯壓力，能自發(fā)地將汗液輸送到感測區(qū)域，表現(xiàn)出卓越的吸汗效率和汗液傳輸速率。

2 可穿戴電化學(xué)傳感器件的應(yīng)用

2.1 汗液中生物標(biāo)記物監(jiān)測

美國食品與藥物監(jiān)管局（FDA）同意將可穿戴傳感器用于生物物理信號(hào)的監(jiān)測，但因?yàn)榭纱┐鱾鞲性O(shè)備無法直接獲得足夠量的生物標(biāo)記物，其對(duì)生物化學(xué)行為的監(jiān)測存在挑戰(zhàn)［100］。最早提出的可穿戴式葡萄糖或激素傳感器主要利用將微針植入皮下的方式收集待測樣品并完成檢測，也有一些新興的設(shè)備通過插入皮膚細(xì)絲收集液體［101-102］。隨著可穿戴傳感技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展無創(chuàng)的生物液體中化學(xué)物質(zhì)檢測技術(shù)是一種很有前途的替代方法。其中，汗液作為一種典型的、其分泌遍布體表的生理液體，含有許多與細(xì)胞健康和器官功能有關(guān)的指標(biāo)（如電解質(zhì)）、免疫系統(tǒng)（細(xì)胞因子）和藥物相互作用（代謝物）相關(guān)的分子［103-104］。汗液中氯離子水平是臨床囊性纖維病患者的檢測指標(biāo)［105］，鈉離子、鉀離子是人體代謝與電解質(zhì)平衡的重要生理參數(shù)［106-107］。已有研究表明，汗液中葡萄糖含量與血液中葡萄糖含量水平變化具有正相關(guān)關(guān)系［108］，汗液中乳酸含量可作為運(yùn)動(dòng)員體能大小的衡量指標(biāo)之一［109-110］。目前，可穿戴汗液傳感器的發(fā)展已取得顯著成果，與微流控技術(shù)、生物仿生技術(shù)的結(jié)合進(jìn)一步提高了可穿戴汗液傳感器的應(yīng)用范圍。

2.1.1 代謝物

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(zhì)。汗液中的疾病標(biāo)志物含量與其在血液中的水平具有正相關(guān)性［5-6］。

乳酸主要為糖的無氧酵解產(chǎn)物。人體劇烈運(yùn)動(dòng)后造成乳酸堆積引起代謝性酸中毒，即為乳酸酸中毒；嬰兒腹瀉、缺氧、大出血、酒精中毒等情況下也會(huì)出現(xiàn)乳酸酸中毒。臨床出現(xiàn)的乳酸酸中毒的病因主要分為以下幾種：休克、糖尿病、雙胍類藥物、感染、肝臟疾病、缺氧等［111］。乳酸酸中毒的臨床癥狀為血壓降低、呼吸深而快、腹痛、嘔吐等，嚴(yán)重者會(huì)出現(xiàn)昏迷以致死亡［112-113］。已有的可穿戴汗液乳酸傳感器主要分為基于乳酸脫氫酶和乳酸氧化酶的乳酸傳感器。Jia等［68］提出一系列紋身型可穿戴電化學(xué)乳酸傳感器用于體表汗液中乳酸的檢測（圖4A）。該方法制備了乳酸氧化酶包裹的普魯士藍(lán)修飾的絲網(wǎng)印刷電極，對(duì)乳酸檢測的濃度最高達(dá)到20 mmol/L，并實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)過程中乳酸水平的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。但由于乳酸氧化酶的抗噪性差、價(jià)格昂貴，研究者逐漸轉(zhuǎn)向基于乳酸脫氫酶的可穿戴乳酸傳感器的研究。Pilas等［114］提出基于乳酸脫氫酶的可穿戴電化學(xué)乳酸傳感器。通過將乳酸脫氫酶和共反應(yīng)試劑（氧化性輔酶I和［Fe（CN）］3-6）包裹到氧化石墨烯修飾的絲網(wǎng)印刷電極表面，制備了具有低施加電位、免試劑加入的電化學(xué)乳酸檢測技術(shù)。功耗大、電池續(xù)航時(shí)間短等問題一直是可穿戴電化學(xué)傳感領(lǐng)域中待解決的問題。人體汗液中生物燃料電池產(chǎn)生的能量足以激活作為微電子設(shè)備模型的電子表。Koushanpour等［115］針對(duì)可穿戴傳感器件中電池續(xù)航能力差的問題發(fā)展了使用乳酸作為可氧化燃料的可穿戴生物催化電極。該方法提出陽極在氧化性輔酶I存在下乳酸脫氫酶催化氧化乳酸反應(yīng)產(chǎn)生還原性輔酶I，與陰極在氧氣存在下乳酸氧化酶催化氧化乳酸產(chǎn)生過氧化氫的生物燃料電池。重要的是，陰極和陽極反應(yīng)是獨(dú)立的，反應(yīng)產(chǎn)物不會(huì)在電極上交叉反應(yīng)，從而允許生物燃料電池在無膜的情況下運(yùn)行，為原位在體汗液檢測提供了可選擇的技術(shù)支持。

圖4 可穿戴代謝分子傳感器Fig．4 Wearable metabolic sensors

葡萄糖是通過糖原異生或糖原分解產(chǎn)生，其在血液中的含量是糖尿病診斷的重要指標(biāo)［116］。糖尿病是發(fā)病率最高的現(xiàn)代生活疾病之一，是導(dǎo)致全球死亡率增加的原因之一［117-119］。每日飯前飯后的血糖監(jiān)測對(duì)于糖尿病患者的管理與治療至關(guān)重要［120］。目前大多數(shù)糖尿病患者采用檢測手指末梢血中葡萄糖含量，進(jìn)行日常疾病管理，但這種有創(chuàng)的治療方法降低了患者的依從性，而且存在外部細(xì)菌感染的風(fēng)險(xiǎn)。無創(chuàng)、連續(xù)的血糖監(jiān)測方法（CGM）提供了葡萄糖水平和含量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化，從而提高了糖尿病患者的治療質(zhì)量。研究者為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)已經(jīng)取得了顯著成果。

雖然葡萄糖從血液到汗液的分配途徑尚未得到明確的驗(yàn)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(guān)性［121-122］。但由于汗液中的葡萄糖濃度較低（約為血糖濃度的1/100倍），監(jiān)測汗液中的葡萄糖具有挑戰(zhàn)性，需要高靈敏的傳感系統(tǒng)，特別是在低血糖或皮膚葡萄糖殘留污染的情況下汗液中葡萄糖的檢測。貼片式可穿戴電化學(xué)傳感體系用于汗液中葡萄糖檢測的研究已取得進(jìn)展。特別值得一提的是，Kim團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一系列基于柔性材料的可穿戴電化學(xué)傳感器件用于體表汗液中電生理信號(hào)的準(zhǔn)確測量［8，123-127］。在最初的工作中，該團(tuán)隊(duì)通過化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝合成了高質(zhì)量、大面積的石墨烯，構(gòu)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(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性能，并被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)者和醫(yī)療保健領(lǐng)域［128-129］。這種體表石墨烯摻雜的設(shè)備裝置，僅可在汗液收集區(qū)完成汗液中葡萄糖和pH值的原位檢測，進(jìn)一步結(jié)合生物可吸收、溫度響應(yīng)的微針調(diào)控經(jīng)皮給藥過程（圖4B），使糖尿病患者的實(shí)時(shí)在體檢測與即時(shí)治療成為可能［130］。

酒精消費(fèi)是全社會(huì)乃至全人類的主要消費(fèi)內(nèi)容之一。但酒精濫用對(duì)個(gè)人健康、交通安全及醫(yī)療保健等均具有惡劣的影響［131-132］。目前血液酒精濃度的檢測方法主要分為兩種：①侵入性采血檢測法，主要用于臨床癥狀-酒精中毒測量；②便攜式呼吸分析儀，通過應(yīng)用亨利定律測量呼吸酒精濃度（BrAC）間接估計(jì)血液酒精濃度，主要用于現(xiàn)場酒精測量［133］。但以上方法均不適用于實(shí)時(shí)連續(xù)酒精檢測。因此，為規(guī)范個(gè)人飲酒及促進(jìn)醫(yī)療保健和臨床治療的發(fā)展，提供一種便攜、實(shí)時(shí)連續(xù)、準(zhǔn)確和穩(wěn)健的酒精檢測方法勢在必行。目前集成可穿戴傳感技術(shù)與電化學(xué)檢測方法發(fā)展的無創(chuàng)、可穿戴電化學(xué)乙醇傳感器吸引了眾多研究者的興趣。

汗液中酒精濃度與同時(shí)發(fā)生的血液酒精濃度密切相關(guān)，因此汗液中酒精濃度的監(jiān)測至關(guān)重要。Gamella等［134］集成毛果蕓香堿-經(jīng)皮傳感系統(tǒng)與電化學(xué)乙醇生物傳感器制備得到可穿戴乙醇傳感裝置，通過計(jì)時(shí)電流法檢測汗液中乙醇的濃度，并建立了汗液中酒精水平與相同時(shí)間下血液中酒精水平的相關(guān)關(guān)系。該方法對(duì)40名志愿者的血液酒精濃度分析結(jié)果與氣相色譜測定結(jié)果無顯著差異。Kim等［135］集成毛果蕓香堿-經(jīng)皮電滲流誘導(dǎo)汗液收集模塊、可穿戴乙醇電化學(xué)傳感模塊、信號(hào)收集、處理與讀出模塊、藍(lán)牙模塊、移動(dòng)終端模塊，提出了一種可穿戴的臨時(shí)紋身生物傳感器系統(tǒng)用于體表汗液中酒精的檢測（圖4C）。通過經(jīng)皮電滲給藥方法誘導(dǎo)汗液分泌，當(dāng)汗液浸濕傳感界面，利用計(jì)時(shí)電流法測試得到汗液中的酒精信號(hào)，通過信號(hào)收集、處理與傳輸模塊將以上生物化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)一步經(jīng)過無線藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)終端設(shè)備，最后通過用戶友好型APP將以上信號(hào)轉(zhuǎn)化處理得到可視化的數(shù)字信號(hào)。該方法使用的所有電極均在可穿戴的臨時(shí)紋身紙上通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)制成，制作簡單、成本低廉，初步測量并比較了人體受試者在攝入酒精飲料前后產(chǎn)生的汗液中酒精含量變化。雖然檢測血液中的酒精含量是最快速、準(zhǔn)確的方法，但因沸點(diǎn)低、易揮發(fā)，酒精的快速、靈敏、高選擇性檢測存在挑戰(zhàn)。乙基葡醛酸乙酯（EtG）是一種非氧化性乙醇直接代謝產(chǎn)物，通常在少量飲酒后的24 h左右和大量飲酒后的2、4 d內(nèi)均能檢測出EtG，可作為一種重要的乙醇生化標(biāo)志物。Selvam等［136］以金和氧化鋅為電極敏感元件，提出一種可穿戴電化學(xué)免疫傳感器用于體表汗液中EtG的檢測（圖4D）。該方法通過電化學(xué)阻抗法檢測汗液中EtG的含量，為生物液體中酒精的檢測提供了可選擇的技術(shù)支持。

2.1.2 電解質(zhì)

電解質(zhì)對(duì)一些關(guān)鍵的物理化學(xué)功能至關(guān)重要，如活性膜運(yùn)輸、水合作用、滲透平衡、神經(jīng)傳導(dǎo)、肌肉激活等［75，77］。在極端情況下，電解質(zhì)失衡可導(dǎo)致昏迷、癲癇發(fā)作和心臟驟停等癥狀。因此，電解質(zhì)是汗液分析研究中最廣泛的靶向生物標(biāo)志物。基于電位法檢測的鈉、鉀、鈣、銨和水合氫離子傳感器可通過直接在電極表面修飾相對(duì)應(yīng)的離子選擇性膜制備［6］，主要包括選擇性離子載體和增塑劑。前者用于提高相對(duì)應(yīng)離子選擇電極的選擇性，后者主要增強(qiáng)離子選擇電極的穩(wěn)定性。通常情況下選擇飽和氯化鈉的聚乙烯醇縮丁醛（PVB）修飾的Ag/AgCl電極作為參比電極［77］?？纱┐魇解c傳感器的代表性示例如圖5A所示，該方法集成鈉離子傳感、用于信號(hào)收集與處理的電路板模塊、藍(lán)牙模塊，通過檢測汗液中鈉離子證明了該方法的實(shí)用性（圖5B）［137］。圖5C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(shí)檢測汗液中的鈣和pH值［138］。通過比較體表傳感器數(shù)據(jù)和非原位汗液分析結(jié)果（pH計(jì)和電感耦合等離子體質(zhì)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5D）。近期，作者［139］也提出一種可穿戴汗液傳感器件，主要用于汗液中鈉離子、鉀離子、氫離子、葡萄糖和乳酸的同時(shí)檢測。該工作集成汗液采集與定向傳輸模塊、電化學(xué)傳感陣列模塊、電路采集與無線藍(lán)牙模塊和裝載用戶友好型APP的智能手機(jī)，提出一種可穿戴汗液電化學(xué)傳感裝置，手機(jī)APP通過無線藍(lán)牙連接并遠(yuǎn)程控制電路采集模塊，實(shí)現(xiàn)了體表汗液多生理參數(shù)的同時(shí)檢測（圖5E）。

圖5 可穿戴電解質(zhì)傳感器Fig．5 Wearable electrolytic sensors

囊性纖維化是一種影響肺部和消化系統(tǒng)的遺傳慢性疾病。離子電滲法提取的汗液中氯化物水平目前被認(rèn)為是篩查囊性纖維化疾?。–F）的金標(biāo)準(zhǔn)［140］。Emaminejada等［141］設(shè)計(jì)了一個(gè)電化學(xué)增強(qiáng)的、可編程的離子導(dǎo)入界面，可實(shí)現(xiàn)在不引起患者不適的前提下，周期性誘導(dǎo)汗液分泌以提供足夠的、滿足分析需求的汗液量，結(jié)合可穿戴電化學(xué)傳感平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了汗液中葡萄糖、鈉離子和氯離子的原位實(shí)時(shí)監(jiān)測。

越來越多的研究者可以捕捉并測量汗液中的電解質(zhì)、乳酸、葡萄糖、酒精、pH值甚至重金屬。通過定量分析汗液中的蛋白質(zhì)和激素水平可進(jìn)一步提高可穿戴汗液傳感器的適用性。盡管如此，傳感器仍需在保證汗液受到蒸發(fā)流失、污染和降解的前提下收集和分析汗液，因此還需要新的化學(xué)測試和分析方法用于汗液中多種生理信息的檢測［142］。

2.2 體內(nèi)神經(jīng)化學(xué)測量

目前，與腦、心臟、年齡有關(guān)疾?。ㄐ难芗膊　⑴两鹕膊?、阿爾茲海默癥等）的發(fā)病率明顯增高，并呈現(xiàn)早齡化趨勢［143-145］。生物電子信號(hào)對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的調(diào)節(jié)是預(yù)防、治療和管理這些疾病的有力工具，例如，刺激神經(jīng)活動(dòng)的電子設(shè)備對(duì)治療帕金森病、癲癇、慢性疼痛、聽力喪失和癱瘓等疾病有效［146］。植入性生物電子設(shè)備通過選擇性地刺激所需的神經(jīng)目標(biāo)為臨床治療提供準(zhǔn)確、可靠的信息。然而，侵入性植入物伴隨著額外的風(fēng)險(xiǎn)，如可能導(dǎo)致人體產(chǎn)生慢性炎癥等并發(fā)癥，進(jìn)一步降低設(shè)備的功能甚至失效。為降低侵入性設(shè)備的體內(nèi)治療風(fēng)險(xiǎn)，可將微米或毫米級(jí)生物電子植入物經(jīng)皮導(dǎo)管以微創(chuàng)的方式放置到作為神經(jīng)-血管束的伴隨神經(jīng)，即血管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)深部組織內(nèi)血管神經(jīng)調(diào)節(jié)治療［147-149］。

為提高體內(nèi)神經(jīng)調(diào)節(jié)治療的時(shí)效性和精準(zhǔn)度，發(fā)展集生物電化學(xué)信號(hào)與生物電物理信號(hào)于一體的檢測方法，可以促進(jìn)人們對(duì)神經(jīng)相關(guān)疾病的深入了解與治療。多巴胺主要產(chǎn)生于腦腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA）和黑質(zhì)致密部（SNc），與人體運(yùn)動(dòng)、成癮、記憶、情緒等密切相關(guān)［150-154］。當(dāng)植入性生物電子設(shè)備通過電、磁等物理方式刺激體內(nèi)組織或細(xì)胞發(fā)生神經(jīng)活動(dòng)時(shí)，神經(jīng)細(xì)胞會(huì)分泌化學(xué)反饋物質(zhì)，多巴胺是其中的一種神經(jīng)遞質(zhì)。傳統(tǒng)的多巴胺檢測方法主要通過碳纖維電極氧化還原反應(yīng)以監(jiān)測其釋放過程［155］，但碳纖維電極在發(fā)生形變或扭曲情況下會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的電信號(hào)，而且在體內(nèi)不能被降解。發(fā)展柔性、輕便、微型、親膚、可生物降解的可穿戴植入性電子器件用于腦神經(jīng)、心血管疾病的治療與管理受到越來越多研究者的關(guān)注。集成柔性材料、電化學(xué)傳感、無線電子技術(shù)發(fā)展可穿戴、植入性、生物可降解的電子器件，用于生物化學(xué)信號(hào)檢測是一門新興的、多學(xué)科交叉發(fā)展的研究領(lǐng)域。Yang等［149］研制一種無線的、生物可降解的生物電化學(xué)信號(hào)檢測系統(tǒng)，通過將電子器件完全植入腦深層區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)化學(xué)信使和外周神經(jīng)生理信號(hào)的同時(shí)檢測。通過制備異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的二維二硫化鉬@鐵納米粒子修飾電極實(shí)現(xiàn)了腦深處神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺的檢測。該方法有望用于神經(jīng)外科手術(shù)后一段時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生的術(shù)后并發(fā)癥的評(píng)估與治療。

2.3 POCT檢測

POCT是可以滿足在事件發(fā)生位置附近快速分析檢測的技術(shù)。POCT因具有便攜、檢測快速、價(jià)格低廉、操作簡單、用戶友好等優(yōu)勢，被廣泛用于食品安全、藥物分析、疾病診斷、環(huán)境監(jiān)測及公共應(yīng)急響應(yīng)等領(lǐng)域［156］。該方法無需大型儀器設(shè)備也能承擔(dān)實(shí)驗(yàn)室職能，滿足資源匱乏地區(qū)的疾病快速診斷與預(yù)防需求。近年來，隨著生物電子與傳感技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，研究者集成POCT、可穿戴生物傳感技術(shù)、智能電子器件與無線通信技術(shù)發(fā)展了一系列藥物分子、DNA、疾病標(biāo)記物的POCT新方法。

電化學(xué)分析方法具有成本低、操作簡單、選擇性好、靈敏度高等特點(diǎn)，非常適合構(gòu)建可穿戴電化學(xué)傳感器件，并應(yīng)用于POCT領(lǐng)域。Güder等［157］報(bào)道一種有效、簡單、廉價(jià)的呼吸監(jiān)測傳感器。該傳感器通過檢測紙上吸附的水分與吸入空氣和呼出空氣的瞬態(tài)差異來測量人的呼吸速率。該傳感器由一張帶有數(shù)字打印石墨電極的紙構(gòu)成，將其集成在一個(gè)柔性紡織程序口罩內(nèi)（通常用于醫(yī)院）。通過將功能化的口罩、信號(hào)處理與傳輸裝置和電源連接，利用無線藍(lán)牙將采集的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊輸送到移動(dòng)終端設(shè)備，進(jìn)一步通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到云端，繼而建立大數(shù)據(jù)庫為個(gè)性化醫(yī)療發(fā)展提供技術(shù)支持。為拓寬POCT方法在生物分子檢測中的應(yīng)用，Alafeef等［158］集成信號(hào)處理與輸出裝置與石墨烯修飾的紙基電化學(xué)生物傳感技術(shù)，發(fā)展了一種快速、準(zhǔn)確、高選擇性和超靈敏的分析方法，檢測嚴(yán)重的急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒-2（SARS-CoV-2）的遺傳物質(zhì)。用48個(gè)臨床樣本，通過與美國FDA批準(zhǔn)的對(duì)SARS-CoV-2遺傳物質(zhì)的金標(biāo)準(zhǔn)診斷方法（LabGun COVID-19 RT-PCR診斷試劑盒）檢測結(jié)果比較，驗(yàn)證了傳感器芯片鑒別新型冠狀病毒疾病2019（COVID-19）陽性樣本和陰性樣本的能力。該方法可在5 min內(nèi)完成SARS-CoV-2的快速、靈敏檢測。為取代傳統(tǒng)的固態(tài)電池，Sun等［159］基于可伸縮生物燃料電池發(fā)展了一種簡便、成本低、用戶友好的可穿戴電化學(xué)抗壞血酸傳感設(shè)備。該方法可直接檢測0．2 μL的無稀釋血清，實(shí)現(xiàn)對(duì)壞血病的即時(shí)分析和準(zhǔn)確診斷。

3 總結(jié)與展望

可穿戴電化學(xué)傳感器件是集成電化學(xué)方法、可穿戴傳感技術(shù)、電子信息技術(shù)與無線通信技術(shù)于一體，可穿戴在皮膚表面或植入體內(nèi)的集成裝置。近年來，隨著材料科學(xué)、微納米加工技術(shù)、電子通信技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域的交叉與合作，可穿戴電化學(xué)傳感器件被廣泛應(yīng)用于藥物分析、環(huán)境監(jiān)測、疾病診斷與醫(yī)療保健等領(lǐng)域。本文主要針對(duì)可穿戴電化學(xué)傳感器件的研制和應(yīng)用，概括了其設(shè)計(jì)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(jié)了可穿戴電化學(xué)傳感器件在體表汗液中生理標(biāo)記物的收集和檢測、體內(nèi)神經(jīng)化學(xué)測量及POCT中的應(yīng)用。

可穿戴電化學(xué)傳感器件通過柔性印刷電路板及無線藍(lán)牙裝置，將采集的信號(hào)傳輸?shù)揭苿?dòng)終端，并由互聯(lián)網(wǎng)上傳到云端形成大數(shù)據(jù)，以便醫(yī)護(hù)人員可遠(yuǎn)程監(jiān)控患者的身體狀態(tài)，通過收集和分析患者的生理信號(hào)變化給出個(gè)性化治療方案?？纱┐麟娀瘜W(xué)傳感器件因具有便攜、小型化、生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，被穿戴到皮膚表面用于生理液體如汗液、尿液、唾液、淚液中生理相關(guān)物質(zhì)的檢測。汗液遍布全身，含有豐富多樣的與人體生命活動(dòng)息息相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)，如葡萄糖、乳酸、酒精、鈉離子、鉀離子、氫離子等，而且其無創(chuàng)收集方式不會(huì)產(chǎn)生其它病毒或細(xì)菌感染，因此該類器件的發(fā)展受到越來越多的關(guān)注。

雖然汗液可穿戴電化學(xué)傳感器件的研制已取得重要進(jìn)展，目前該器件的發(fā)展仍有如下挑戰(zhàn)：（1）檢測準(zhǔn)確性受汗液分泌速率慢、汗液蒸發(fā)流失、新舊汗液交叉覆蓋、皮膚表面的一些化學(xué)物質(zhì)（如護(hù)膚品、身體乳）的污染影響；（2）器件的靈敏度與精準(zhǔn)度不足，難以滿足比血液中含量低近3個(gè)數(shù)量級(jí)的疾病標(biāo)記物的檢測需求；（3）穿戴舒適度有待改善，需要發(fā)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(wěn)定性需提高。為解決這些問題，將親水性材料、微流控系統(tǒng)、仿生技術(shù)引入可穿戴電化學(xué)傳感器，通過降低汗液蒸發(fā)流失、新舊汗液交叉感染等提高傳感器的準(zhǔn)確性；用水凝膠、殼聚糖、多壁碳納米管等生物相容性材料負(fù)載生物酶，通過增強(qiáng)和保護(hù)酶催化活性，確保傳感器的穩(wěn)定性；用仿生皮膚材料作為基底材料，發(fā)展用戶友好型、無縫連接皮膚的電子皮膚器件。

神經(jīng)系統(tǒng)疾病的高度動(dòng)態(tài)特性限制了目前腦深部電刺激系統(tǒng)（DBS）的應(yīng)用。即不能通過監(jiān)測相關(guān)神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化，直接提供疾病狀態(tài)信息，再根據(jù)分析結(jié)果調(diào)節(jié)神經(jīng)刺激參數(shù)。個(gè)體生理?xiàng)l件的變化和患者間的差異需要個(gè)性化、時(shí)效性的神經(jīng)調(diào)節(jié)與治療。發(fā)展顛覆性的DBS系統(tǒng)是刺激療法在臨床應(yīng)用的重要機(jī)遇。植入型可穿戴電化學(xué)傳感器件用于心血管和腦神經(jīng)疾病的診斷與治療領(lǐng)域，進(jìn)一步促進(jìn)了神經(jīng)化學(xué)測量和神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的進(jìn)步。因此，發(fā)展新興的設(shè)備和應(yīng)用程序，跟蹤監(jiān)測神經(jīng)遞質(zhì)的釋放和濃度變化，為了解這些神經(jīng)遞質(zhì)在神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的角色和作用機(jī)制提供了技術(shù)支持。

通過設(shè)計(jì)簡單的信號(hào)讀出體系，研究者已將可穿戴電化學(xué)傳感器件用于POCT檢測，但在復(fù)雜實(shí)際樣品測定裝置的商品化方面仍存在挑戰(zhàn)，這也是可穿戴電化學(xué)傳感器件POCT應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展方向。需要針對(duì)POCT現(xiàn)場采樣、靈敏檢測和快速信號(hào)輸出的實(shí)際需求，優(yōu)化可穿戴電化學(xué)傳感器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)展目標(biāo)物收集與檢測一體化技術(shù)，提高POCT的選擇性、特異性，同時(shí)縮減可穿戴電化學(xué)傳感器件的制備成本。