婁筱叮

（生物無(wú)機(jī)與藥物湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(wú)機(jī)與藥物湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)個(gè)體的生理信號(hào)，并且不會(huì)干擾或限制使用者的活動(dòng)。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(guò)檢測(cè)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(gè)分開(kāi)的操作，需要寬敞的實(shí)驗(yàn)室以及大型的儀器裝置去完成整個(gè)分析。此外，汗液分泌物蘊(yùn)含有多重生理機(jī)制，如何從汗液中提取出多重信息非常關(guān)鍵。最近，美國(guó)加利福利亞大學(xué)伯克利實(shí)驗(yàn)室的Wei Gao等，設(shè)計(jì)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(shí)檢測(cè)個(gè)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(shí)現(xiàn)了可穿戴生物傳感器信號(hào)的采集、產(chǎn)生、調(diào)整（放大與過(guò)濾）、處理（校準(zhǔn)與補(bǔ)償）以及無(wú)線傳輸?shù)囊惑w化?；谠撛O(shè)計(jì)理念的汗液傳感器促進(jìn)了規(guī)?；?、實(shí)時(shí)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(lái)講，多功能集成的可穿戴傳感器陣列主要包含以下三個(gè)部分：第一個(gè)部分是基于氧化酶的電流檢測(cè)傳感器，用于檢測(cè)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(gè)線性多糖殼聚糖滲透膜內(nèi)，使用含普魯士藍(lán)的Ag/AgCl電極作為二者共同的參比電極。酶?jìng)鞲衅鞯碾娏餍盘?hào)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(lái)檢測(cè)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(hào)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(duì)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(duì)應(yīng)。這三類傳感器相互之間并不產(chǎn)生干擾，而且對(duì)目標(biāo)檢測(cè)物有高度選擇性。而對(duì)傳感器陣列的信號(hào)進(jìn)行傳導(dǎo)，調(diào)整，處理以及無(wú)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(duì)汗液進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與分析，通過(guò)多重信息的整合，能夠分析出運(yùn)動(dòng)者在恒定負(fù)荷運(yùn)動(dòng)與梯度負(fù)荷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的生理狀態(tài)。此外，通過(guò)對(duì)汗水中Na+和K+含量的實(shí)時(shí)分析，能監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)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(wèn)題，以期該汗液傳感器能實(shí)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(面上項(xiàng)目21574048)

*通信聯(lián)系人,E-mail:louxiaoding@hust.edu.cn