综述：用于汗液监测的表皮可穿戴光学传感器研究进展
2024-05-27 08:49:39   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

可穿戴光学传感器是一项前景广阔的技术，为监测人体汗液开辟了一条新途径。随着集成光学器件、光学材料和结构设计的进步，目前的光学皮肤界面主要采用四种分析方法将汗液中包含的化学信息转化为光学信号，包括比色法、表面增强拉曼光谱（SERS）法、荧光法和电致化学发光（ECL）法。此外，为了提高便携性，许多外部激光源设备和成像模块都根据不同的光学方法进行了改进。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自深圳大学的研究人员在Communications Materials期刊上发表了题为“Epidermal wearable optical sensors for sweat monitoring”的综述性论文，总结了光学汗液传感器的最新进展，重点介绍了其原理、发展、优势和局限性。最后，作者讨论了可穿戴光学传感器目前在材料、汗液采集、数据分析和外部集成电子器件方面面临的挑战和未来的发展前景。

图1 用于个性化监测的可穿戴光学汗液传感平台示意图

可穿戴光学汗液传感器

汗液由皮肤真皮层的皮下汗腺和非皮下汗腺分泌，用于维持人体的热平衡并排出代谢废物。汗腺分泌的汗液含有丰富的生理信息，包括代谢物（葡萄糖、乳酸盐、尿素等）、电解质（Na⁺、K⁺等）、营养物质（维生素C、Zn²⁺、Ca²⁺等）、激素（皮质醇、雌激素等）和蛋白质等。目前已开发出四种可穿戴光学汗液传感器，包括比色传感器、SERS传感器、荧光传感器和ECL传感器，这些传感器可以用于分析各种物质。

比色传感器

比色传感器因具有反应速度快、便携、可以实现多通道分析等特点，在可穿戴汗液传感器中备受关注。当与目标生物标志物相互作用时，色原分子的光子吸收会发生变化，从而导致其颜色发生改变。比色汗液传感器主要通过化学变色机制工作。这些机制可分为以下几类：氧化还原反应中的电子转移会导致颜色变化（例如用于葡萄糖检测时）；离子通过与络合配体结合形成有色络合物（例如用于氯离子检测时）；在酸性或碱性条件下会产生卤色（例如用于pH值检测时）。目前，比色汗液传感器在材料、结构设计和数据分析方面都已取得了重大的创新性进展。这些工作有效提高了比色传感系统的传感性能、汗液采样效率、佩戴舒适度和数据准确性。

图2 可穿戴比色汗液传感器在材料、结构和数据分析方面的进展

表面增强拉曼光谱（SERS）传感器

当入射光子与目标待测物分子发生碰撞时，大部分光子会发生弹性散射（瑞利散射），光子的频率、波长和能量不会发生变化。但是，一小部分光子的频率、波长和能量会发生变化，这就是所谓的非弹性散射。拉曼散射就是光子的非弹性散射现象。SERS是一种分子振动指纹光谱技术，具有超高灵敏度、无标记和高特异性等特点。基于局部表面等离子体共振（LSPR）效应，利用激光激发特定具有粗糙表面的金属等离子体纳米结构可使分析物的拉曼信号增强10⁶到10⁹倍。目前，SERS效应被广泛应用于生化领域。然而，构造在刚性衬底上的SERS传感器无法与弹性皮肤有效贴合。为了解决这一问题，近年来，研究人员对SERS衬底材料的灵敏度、均一性和稳定性进行了优化，实现了柔性和可拉伸的等离子体纳米结构SERS衬底。与此同时，便携式拉曼光谱仪也得到了开发，为现场监测和可穿戴SERS传感器的应用提供了可能。此外，某些目标生物标志物在汗液中的含量很低，而SERS具有灵敏度高、可以实现痕量分析和免标记检测等固有优势，可以有效克服电化学和比色传感器固有的局限性。

图3 可穿戴SERS汗液传感器在等离子体材料、平台和分析物方面的进展

荧光传感器

荧光是一种光致发光现象。荧光分子在激光照射下会吸收光子，使其能级升高，过渡到不稳定的激发态，并通过发射荧光释放能量，回到稳定的基态（图4a）。荧光传感器已被应用于医疗诊断和生物成像，并在医疗保健领域取得了重大进展。荧光传感器的具体传感机制为，荧光团探针上标记有目标受体（蛋白质、核酸、化学受体等），当捕获到目标分析物时，荧光团分子的光物理状态会发生改变，从而导致荧光团分子发射的荧光信号发生变化。荧光分析方法具有灵敏度高、选择性强和反应迅速等特性。随着电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）成像技术的发展，荧光传感器已成为分析复杂汗液中目标分子的有效辅助方法。此外，研究人员一直致力于将荧光检测集成到用于汗液管理的微平台（例如微流控平台、纸基传感平台和水凝胶基传感平台）中，并配备智能手机等便携式设备和用于数据读取的激光源，以实现即时检测。

图4 荧光可穿戴汗液传感器

电致化学发光传感器

电致化学发光（ECL）是一种电化学-光物理过程，在这一过程中，电极表面附近会发生电化学反应，产生激子并辐射出光。ECL机制包括湮灭机制和共反应机制。在湮灭机制中，发光体直接进行电子转移，在电位控制下在阳极发生氧化或在阴极发生还原，从而产生激发态或基态的发光体。在共反应机制中，通过向电极施加电信号，反应系统内的物质会发生电解，从而转变为氧化或还原中间体。随后，中间体与氧化或还原的共反应物发生进一步反应，成为不稳定的激发态。一旦物质从激发态回到基态，就会发出光信号（图5a）。基于ECL的检测方法无需外部光源，并且具有超低背景噪声、高灵敏度和可实现多维信号提取等显著优势，在可穿戴发光设备、光纤中的应用前景广阔。

图5 用于汗液传感的电致发光皮肤接口

展望

总体而言，光学汗液传感器为医疗保健建立了灵敏、经济、无创的平台，可以广泛应用于各种营养物质、代谢物和电解质的检测。目前，虽然比色汗液装置已逐渐商业化，但其他类型的光学汗液传感器仍处于实验室阶段。光学传感应满足灵敏度、特异性、准确性和再现性的要求。因此，需要开发更多用于光学传感和增强信号的潜在探针。此外，汗液传感贴片大多是一次性物品，因此，使用可生物降解的材料以及可回收的试剂是必要的，以减少废弃组件对环境的影响。同时，考虑到穿戴舒适性和皮肤顺应性，柔性和可拉伸材料的开发是至关重要的，以避免不适和潜在的伤害，特别是在长期穿戴时。

在汗水操控方面，结合吸收材料（纸、纺织品、水凝胶）和先进的汗水控制和反馈系统（微流控和超可湿界面），能够解决光学传感器中低时间分辨率、试剂回流污染和样品蒸发等问题。此外，使用先进的微纳制造技术，包括光刻、激光刻蚀、3D打印，卷对卷（R2R）和数字光处理（DLP）等可以制造出精确的泵和阀结构，从而可以实现传感装置的手指或自我驱动、自我反馈、定时和定量检测。

最后，在数据读取和分析方面，光学汗液传感器需要与外部设备协同以进行数据读取。除了标准比色卡和智能手机外，光学汗液传感器通常还需要外部激光源（荧光）、便携式拉曼光谱仪（SERS）和电子电路（电化学发光）的协同使用。此外，除了传统的曲线拟合外，还需要机器学习和人工智能的结合来实现传感数据的精确分析、校准和预测。未来的趋势是将这些方法与大数据平台相结合，最终实现个性化诊断和精准医疗。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s43246-024-00518-z

延伸阅读：

《可穿戴技术及市场-2023版》

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》