可穿戴電化學(xué)傳感器件的研制及其應(yīng)用

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，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(cè)。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(cè)、疾病診斷與醫(yī)療保健等領(lǐng)域。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院生命分析化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員在《分析測(cè)試學(xué)報(bào)》期刊發(fā)表了題為“可穿戴電化學(xué)傳感器件的研制及其應(yīng)用”的綜述性文章，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(cè)、體內(nèi)神經(jīng)化學(xué)測(cè)量及現(xiàn)場(chǎng)分析檢測(cè)（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。

可穿戴電化學(xué)傳感裝置的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

（1）柔性電極制備

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(cè)量的柔性電極制備工藝和應(yīng)用研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。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，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)。而電極層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。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。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。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1）。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1 柔性金電極的制備流程圖

（2）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)。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(shì)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、電子皮膚、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。

可穿戴電化學(xué)傳感裝置在汗液中生物標(biāo)記物監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

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。Jia等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(cè)（圖2A）。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(cè)的濃度最高可達(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(cè)。

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)。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。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(cè)量。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。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(cè)，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2B），使糖尿病患者的實(shí)時(shí)在體檢測(cè)與即時(shí)治療成為可能。

圖2 可穿戴代謝分子傳感器

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。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?？纱┐魇解c傳感器的代表性示例如圖3A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(cè)汗液中鈉離子證明了該方法的實(shí)用性（圖3B）。圖3C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(cè)汗液中的鈣和pH值。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(cè)量鈣離子和氫離子的能力（圖3D）。

圖3 可穿戴電解質(zhì)傳感器

總結(jié)與展望

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(cè)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(cè)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，可以將親水性材料、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；此外，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，可以確保傳感器的穩(wěn)定性；而用仿生皮膚材料作為基底材料，可以發(fā)展用戶友好型、無縫連接皮膚的電子皮膚器件。

另外，通過設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(cè)，但在復(fù)雜實(shí)際樣品測(cè)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。因此，需要針對(duì)POCT現(xiàn)場(chǎng)采樣、靈敏檢測(cè)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(cè)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。

審核編輯：劉清