可穿戴光學(xué)傳感器是一項前景廣闊的技術(shù)，為監(jiān)測人體汗液開辟了一條新途徑。隨著集成光學(xué)器件、光學(xué)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計的進(jìn)步，目前的光學(xué)皮膚界面主要采用四種分析方法將汗液中包含的化學(xué)信息轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號，包括比色法、表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）法、熒光法和電致化學(xué)發(fā)光（ECL）法。此外，為了提高便攜性，許多外部激光源設(shè)備和成像模塊都根據(jù)不同的光學(xué)方法進(jìn)行了改進(jìn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自深圳大學(xué)的研究人員在Communications Materials期刊上發(fā)表了題為“Epidermal wearable optical sensors for sweat monitoring”的綜述性論文，總結(jié)了光學(xué)汗液傳感器的最新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了其原理、發(fā)展、優(yōu)勢和局限性。最后，作者討論了可穿戴光學(xué)傳感器目前在材料、汗液采集、數(shù)據(jù)分析和外部集成電子器件方面面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展前景。

圖1 用于個性化監(jiān)測的可穿戴光學(xué)汗液傳感平臺示意圖

可穿戴光學(xué)汗液傳感器

汗液由皮膚真皮層的皮下汗腺和非皮下汗腺分泌，用于維持人體的熱平衡并排出代謝廢物。汗腺分泌的汗液含有豐富的生理信息，包括代謝物（葡萄糖、乳酸鹽、尿素等）、電解質(zhì)（Na?、K?等）、營養(yǎng)物質(zhì)（維生素C、Zn2?、Ca2?等）、激素（皮質(zhì)醇、雌激素等）和蛋白質(zhì)等。目前已開發(fā)出四種可穿戴光學(xué)汗液傳感器，包括比色傳感器、SERS傳感器、熒光傳感器和ECL傳感器，這些傳感器可以用于分析各種物質(zhì)。

比色傳感器

比色傳感器因具有反應(yīng)速度快、便攜、可以實(shí)現(xiàn)多通道分析等特點(diǎn)，在可穿戴汗液傳感器中備受關(guān)注。當(dāng)與目標(biāo)生物標(biāo)志物相互作用時，色原分子的光子吸收會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其顏色發(fā)生改變。比色汗液傳感器主要通過化學(xué)變色機(jī)制工作。這些機(jī)制可分為以下幾類：氧化還原反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移會導(dǎo)致顏色變化（例如用于葡萄糖檢測時）；離子通過與絡(luò)合配體結(jié)合形成有色絡(luò)合物（例如用于氯離子檢測時）；在酸性或堿性條件下會產(chǎn)生鹵色（例如用于pH值檢測時）。目前，比色汗液傳感器在材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)據(jù)分析方面都已取得了重大的創(chuàng)新性進(jìn)展。這些工作有效提高了比色傳感系統(tǒng)的傳感性能、汗液采樣效率、佩戴舒適度和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

圖2 可穿戴比色汗液傳感器在材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)分析方面的進(jìn)展

表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）傳感器

當(dāng)入射光子與目標(biāo)待測物分子發(fā)生碰撞時，大部分光子會發(fā)生彈性散射（瑞利散射），光子的頻率、波長和能量不會發(fā)生變化。但是，一小部分光子的頻率、波長和能量會發(fā)生變化，這就是所謂的非彈性散射。拉曼散射就是光子的非彈性散射現(xiàn)象。SERS是一種分子振動指紋光譜技術(shù)，具有超高靈敏度、無標(biāo)記和高特異性等特點(diǎn)。基于局部表面等離子體共振（LSPR）效應(yīng)，利用激光激發(fā)特定具有粗糙表面的金屬等離子體納米結(jié)構(gòu)可使分析物的拉曼信號增強(qiáng)10?到10?倍。目前，SERS效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于生化領(lǐng)域。然而，構(gòu)造在剛性襯底上的SERS傳感器無法與彈性皮膚有效貼合。為了解決這一問題，近年來，研究人員對SERS襯底材料的靈敏度、均一性和穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了柔性和可拉伸的等離子體納米結(jié)構(gòu)SERS襯底。與此同時，便攜式拉曼光譜儀也得到了開發(fā)，為現(xiàn)場監(jiān)測和可穿戴SERS傳感器的應(yīng)用提供了可能。此外，某些目標(biāo)生物標(biāo)志物在汗液中的含量很低，而SERS具有靈敏度高、可以實(shí)現(xiàn)痕量分析和免標(biāo)記檢測等固有優(yōu)勢，可以有效克服電化學(xué)和比色傳感器固有的局限性。

圖3 可穿戴SERS汗液傳感器在等離子體材料、平臺和分析物方面的進(jìn)展

熒光傳感器

熒光是一種光致發(fā)光現(xiàn)象。熒光分子在激光照射下會吸收光子，使其能級升高，過渡到不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，并通過發(fā)射熒光釋放能量，回到穩(wěn)定的基態(tài)（圖4a）。熒光傳感器已被應(yīng)用于醫(yī)療診斷和生物成像，并在醫(yī)療保健領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。熒光傳感器的具體傳感機(jī)制為，熒光團(tuán)探針上標(biāo)記有目標(biāo)受體（蛋白質(zhì)、核酸、化學(xué)受體等），當(dāng)捕獲到目標(biāo)分析物時，熒光團(tuán)分子的光物理狀態(tài)會發(fā)生改變，從而導(dǎo)致熒光團(tuán)分子發(fā)射的熒光信號發(fā)生變化。熒光分析方法具有靈敏度高、選擇性強(qiáng)和反應(yīng)迅速等特性。隨著電荷耦合器件（CCD）和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）成像技術(shù)的發(fā)展，熒光傳感器已成為分析復(fù)雜汗液中目標(biāo)分子的有效輔助方法。此外，研究人員一直致力于將熒光檢測集成到用于汗液管理的微平臺（例如微流控平臺、紙基傳感平臺和水凝膠基傳感平臺）中，并配備智能手機(jī)等便攜式設(shè)備和用于數(shù)據(jù)讀取的激光源，以實(shí)現(xiàn)即時檢測。

圖4 熒光可穿戴汗液傳感器

電致化學(xué)發(fā)光傳感器

電致化學(xué)發(fā)光（ECL）是一種電化學(xué)-光物理過程，在這一過程中，電極表面附近會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生激子并輻射出光。ECL機(jī)制包括湮滅機(jī)制和共反應(yīng)機(jī)制。在湮滅機(jī)制中，發(fā)光體直接進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移，在電位控制下在陽極發(fā)生氧化或在陰極發(fā)生還原，從而產(chǎn)生激發(fā)態(tài)或基態(tài)的發(fā)光體。在共反應(yīng)機(jī)制中，通過向電極施加電信號，反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)會發(fā)生電解，從而轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸蜻€原中間體。隨后，中間體與氧化或還原的共反應(yīng)物發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)，成為不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)。一旦物質(zhì)從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，就會發(fā)出光信號（圖5a）。基于ECL的檢測方法無需外部光源，并且具有超低背景噪聲、高靈敏度和可實(shí)現(xiàn)多維信號提取等顯著優(yōu)勢，在可穿戴發(fā)光設(shè)備、光纖中的應(yīng)用前景廣闊。

圖5 用于汗液傳感的電致發(fā)光皮膚接口

展望

總體而言，光學(xué)汗液傳感器為醫(yī)療保健建立了靈敏、經(jīng)濟(jì)、無創(chuàng)的平臺，可以廣泛應(yīng)用于各種營養(yǎng)物質(zhì)、代謝物和電解質(zhì)的檢測。目前，雖然比色汗液裝置已逐漸商業(yè)化，但其他類型的光學(xué)汗液傳感器仍處于實(shí)驗室階段。光學(xué)傳感應(yīng)滿足靈敏度、特異性、準(zhǔn)確性和再現(xiàn)性的要求。因此，需要開發(fā)更多用于光學(xué)傳感和增強(qiáng)信號的潛在探針。此外，汗液傳感貼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試劑是必要的，以減少廢棄組件對環(huán)境的影響。同時，考慮到穿戴舒適性和皮膚順應(yīng)性，柔性和可拉伸材料的開發(fā)是至關(guān)重要的，以避免不適和潛在的傷害，特別是在長期穿戴時。

在汗水操控方面，結(jié)合吸收材料（紙、紡織品、水凝膠）和先進(jìn)的汗水控制和反饋系統(tǒng)（微流控和超可濕界面），能夠解決光學(xué)傳感器中低時間分辨率、試劑回流污染和樣品蒸發(fā)等問題。此外，使用先進(jìn)的微納制造技術(shù)，包括光刻、激光刻蝕、3D打印，卷對卷（R2R）和數(shù)字光處理（DLP）等可以制造出精確的泵和閥結(jié)構(gòu)，從而可以實(shí)現(xiàn)傳感裝置的手指或自我驅(qū)動、自我反饋、定時和定量檢測。

最后，在數(shù)據(jù)讀取和分析方面，光學(xué)汗液傳感器需要與外部設(shè)備協(xié)同以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。除了標(biāo)準(zhǔn)比色卡和智能手機(jī)外，光學(xué)汗液傳感器通常還需要外部激光源（熒光）、便攜式拉曼光譜儀（SERS）和電子電路（電化學(xué)發(fā)光）的協(xié)同使用。此外，除了傳統(tǒng)的曲線擬合外，還需要機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的精確分析、校準(zhǔn)和預(yù)測。未來的趨勢是將這些方法與大數(shù)據(jù)平臺相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)個性化診斷和精準(zhǔn)醫(yī)療。