柔性汗液傳感器的研究及其應用進展

閆晗 劉麗妍 李至潔 羅丹 劉皓

摘要：可穿戴傳感器以獨特的監測模式（實時、連續、非侵入性）在醫療、體育、健康監測等領域得到了迅速發展。汗液中含有多種生物標記物，如代謝物、電解質和各種激素等。汗液可以反映人體的勞累程度、疾病、壓力水平、運動情況等，與可穿戴技術相結合，汗液傳感器有望實現低成本、實時、原位的汗液監測。本文從柔性汗液傳感器的基底材料種類入手，介紹了近年來汗液傳感器常用的基底材料，并概述了柔性汗液傳感器在監測方面的應用。最后，總結了目前存在的局限性及對未來發展的展望。

關鍵詞：汗液；傳感器；柔性；智能可穿戴；健康監測；應用

中圖分類號：TP212.6; TS101.8

文獻標志碼：A

文章編號：10017003（2024）02008510

DOI：10.3969/j.issn.1001-7003.2024.02.010

收稿日期：20230825;

修回日期：20231216

基金項目：科技部國家重點研發計劃“科技冬奧”重點專項項目（2019YFF0302105）；國家自然科學基金項目（51473122）；中國博士后科學基金項目（2016M591390）；天津市自然科學基金項目（18JCYBJC18500）

作者簡介：閆晗（1998），女，碩士研究生，研究方向為柔性智能傳感器方面的研究。通信作者：劉皓，教授，liuhao_0760@163.com。

隨著電子設備技術的快速發展，各種各樣的柔性可穿戴傳感器已經逐漸進入人們的生活，柔性可穿戴傳感器在醫療、軍事、教育上具有極為重要的地位和應用潛力。同時，伴隨著人們對健康監測的日益重視，可結合個人情況定制的個性化可穿戴設備引起了人們的廣泛關注，柔性傳感是健康監測設備中最有前途的技術之一。目前，大多數可穿戴設備主要用于監測人的身體狀況的變化（如心率、運動、溫度等），在反映人體整體健康狀況方面存在局限性。因此，實時監測體液、血液和間質液等生物體液進行生理健康評估已成為可穿戴傳感器發展的新趨勢。與血液成分的有創分析相比，無創的體液監測（如淚液、唾液、汗液）是一種更方便、簡單、安全的獲取生理信號的方法。與淚液、唾液和尿液等其他生物體液取樣的復雜性和不適性相比，汗液的取樣可以無創地按需獲取，甚至可以被連續采集。汗液取樣可以方便且不顯眼地實現采集，從而體現出可穿戴式傳感器在體液監測方面具有的巨大潛力。

汗液是人體汗腺分泌的液體，分布在身體的各個部位，同時汗液也是調節核心體溫的重要體液之一。汗液由電解

質離子、代謝物、重金屬、小分子等多種成分組成。這些汗液成分包含豐富的人體健康信息，一些重要的診斷可以通過汗液生物標志物來實現，如代謝活動、糖尿病、脫水狀態和囊性纖維化。同時，汗液還能監測人們不同狀態下的情緒。時常加班的人群精神壓力有時候會很大，情緒會有不同程度的起伏，長期靜息狀態下的汗液監測可以察覺到人們的心理壓力導致的汗液分泌，從而可以做出一定調整，如增加減壓訓練、配備心理輔導等，避免發生意外。所以可以說汗液是體外監測的最佳監測物質。

當前關于柔性可穿戴汗液傳感器的研究，主要從監測物質、監測方法和監測原理等方面展開討論，而從基底材料角度入手分析的文章在國內外比較少。基于此，本文首先介紹近年來汗液傳感器常用的基底材料；其次，概述柔性汗液傳感器在監測方面的應用；最后，總結目前存在的局限性及對未來發展的展望。

1 柔性汗液傳感器的基底材料

柔性可穿戴電子設備需要匹配人體皮膚的彎曲和拉伸且不影響佩戴者日常活動。由于傳統的可穿戴傳感器大多數基底都是剛性的，無法滿足人們的可穿戴使用，因此柔性基底材料的研究成為現階段柔性傳感器領域的重點。本文對常用于柔性汗液傳感器的基底材料進行了分類，主要分為薄膜基底材料、紡織基底材料和紙基底材料，具體特點如表1所示，具體類型如圖1所示。

1.1 薄膜基底材料

1.1.1 聚對苯二甲酸乙二醇酯

聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）是全球最常見且用途廣泛的一種高分子熱塑性材料，因其具有較高的化學惰性、環境穩定性、電絕緣性和重量輕等特點，常被當作基底材料，用于柔性傳感器中。

Mei等開發了一種基于納米纖維微流控技術和分子印跡聚合物（MIP）的柔性電化學傳感器，用于原位和實時汗液分析。以PET為基底的傳感器由兩層組成，底層是用于傳感的MIP修飾電極層，上層是用于自發排汗的納米纖維微流控層，是利用靜電紡絲技術，制備了由聚酰亞胺/十二烷基硫酸鈉組成的納米纖維膜。該傳感器以皮質醇為模型分析物，表現出1 nM～1 μM的寬檢測范圍及優異的選擇性和穩定性。Chen等開發了一種靈敏、小型化、靈活的電化學汗液pH值傳感器，用于連續實時監測人體汗液中的氫離子濃度。將氟烷基硅烷功能化的TiCT（F-TiCT）與聚苯胺（PANI）膜相結合，采用簡單、低成本的絲網印刷技術在PET基底上制備柔性電極，取代了傳統的離子敏感膜。構建的微型便攜式可穿戴pH值傳感器旨在實時監測運動過程中人體汗液的pH值。對女性和男性志愿者進行體表汗液pH值監測，該傳感器具有較高的準確性和連續穩定性。Cui等開發了一種可穿戴的電化學傳感器，用于監測汗液中的pH值和K。該傳感器是使用微電子打印機在PET基底上印刷β-CD功能化石墨烯（β-CD/RGO）懸浮液制成的。其在不同彎曲狀態下均表現出良好的電位穩定性，與非原位分析相比，體表汗液pH值和K測量顯示出較高的準確性。Francesca等以氧化銦錫包覆的PET為柔性襯底，制備一種基于聚苯胺的可穿戴pH值電化學傳感器。在恒電位下沉積聚苯胺膜，為了提高傳感器的性能，使用還原氧化石墨烯修飾成雙層電極。該傳感器表現出良好的性能，靈敏度為62.3 mV/pH，非常接近能斯特響應，重復性為3.8%，可用于測定pH值在2～8的生物體液。

1.1.2 聚酰亞胺

聚酰亞胺（PI）具有耐高溫和極低溫、高柔韌性和機械強度，以及高效隔熱等優異性能。作為基底材料，其具有較好的絕緣性、耐熱性和吸濕性，同時對化學藥品也具有一定的抗腐蝕性，在柔性電子領域展現出廣闊的應用前景。

Liao等通過在PI薄膜上使用激光誘導石墨烯（LIG）技術制造了一種可穿戴式表皮傳感器，用于多路汗液分析。該LIG裝置可以同時監測汗液中的pH值、Na和K水平，靈敏度分別為51.5 mV/dec（pH值）、45.4 mV/dec（Na）和43.3 mV/dec（K），在彎曲狀態下保持了良好的傳感性能，還具有良好的重復性、穩定性和選擇性。Barber等研究了激光誘導改性PI基底制備對溶液pH值敏感的導電石墨化軌道的方法。使用電位法和伏安法研究了幾種傳感器形式，電位測量系統顯示該傳感器具有能斯特響應，采用核黃素（維生素B）氧化還原探針的伏安測量系統能夠分析出該傳感器的能斯特曲線（56 mV/pH）。Sun等研制了一種柔性可穿戴的生物傳感器，用于人體皮膚表面汗液中葡萄糖的實時監測。利用激光誘導PI薄膜合成了LIG，制成了叉指電極（IEs）。此外，通過熱還原氧化石墨烯（GO）合成了IEs表面修飾的半導體rGO傳感膜，并通過化學交聯與葡萄糖氧化酶（GOx）進行功能化，獲得GOx/FWCB。該傳感器可用于0.01～3.0 mM內葡萄糖的測定，具有較好的選擇性，檢出限為0.8 μM（S/N=3），滿足了快速、無損檢測葡萄糖的要求。

1.1.3 聚二甲基硅氧烷

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一種生物相容性好、化學性質穩定的高分子聚合物，同時具有優異的拉伸性、彎曲性和可壓縮性，可作為柔性基底材料，廣泛應用于可穿戴傳感器中，特別是在制備應變需求強和環境復雜的傳感器中有顯著優勢。

Bae等報告了一種可拉伸的微流體葡萄糖傳感器。在應力吸收及三維微圖案化的PDMS基底上制備了高度電催化的納米多孔金電極，在非酶葡萄糖檢測中呈現機械拉伸性、高靈敏度和耐用性的特點。通過將可拉伸棉織物作為毛細管，嵌入到薄的聚氨酯納米纖維中來增強PDMS通道，制成了一種薄的、可拉伸的、堅韌的微流體裝置。該設備能夠收集皮膚中的汗液，并將其準確地傳輸到電極表面，因此具有出色的監測汗液中葡萄糖水平的能力。Shu等制備了一種基于PDMS薄膜的高性能可穿戴電化學傳感器，用于連續監測汗液中的葡萄糖。通過化學沉積法在PDMS薄膜基底上沉積一層金，可制備柔性的Au/PDMS薄膜電極。該傳感器對葡萄糖的測定具有良好的電化學性能，線性范圍為20 μM～790 μM，靈敏度為205.1 μA/mm/cm。此外，傳感器在400次重復拉伸/釋放、拉伸和彎曲到不同程度后仍表現出高的機械性和電化學穩定性。它還可用于血糖的長期監測，15 d內保持98%的原值。Yun等通過在自組裝納米片（AuNS）上逐層沉積真空過濾法制備的碳納米管（CNT）薄膜，在PDMS可伸縮基底上制備了可伸展電極。隨后，采用水熱合成法分別制備了CoWO/CNT和聚苯胺/CNT復合材料，并將其涂覆在CNT-AuNS電極上，成功地制作出一種用于檢測汗液中葡萄糖和pH值的電化學傳感器。該傳感器對濕潤皮膚具有良好的黏附性，葡萄糖和pH值的靈敏度分別為10.89 μA/mM/cm和71.44 mV/pH。它不受汗液中其他離子和化學成分的干擾，在空氣中能保持長期穩定性（約10 d），且經過1 000次反復拉伸和釋放，機械穩定性仍達到30%。

1.2 紡織基底材料

紡織基主要以纖維、紗線和織物的形式作為基底材料，多用于制備傳感器。由于紡織基具有透氣性、柔韌性、舒適性、質量輕和成本低等優秀的特性，被視為有前途的基底材料。相對于其他基底材料制備的柔性汗液傳感器來說，基于紡織品的汗液傳感器有著優秀的傳感性能和舒適性，能夠廣泛應用到可穿戴領域。

Zhao等通過一種基于彈性金纖維的三電極電化學平臺，制備了可穿戴紡織品葡萄糖生物傳感器。用普魯士藍和葡萄糖氧化酶對金纖維進行功能化處理，得到工作電極；用Ag/AgCl修飾作為參比電極，未經改性的金纖維作為對電極，制備出傳感器的靈敏度為11.7 μA/mM/cm。即使在拉伸率達到200%的情況下，它的傳感性能也保持穩定。Wang等使用金纖維制備了乳酸生物傳感器，并進一步編織成具有平面布局的標準三電極體系的紡織品。此傳感器在人工汗液中靈敏度為14.6 μA/mM/cm，同時靈敏度可以在高拉伸應變下仍保持100%。

Zhang等開發了一種基于全織物的雙功能柔性可穿戴式汗液電化學傳感器，該傳感器以織物為基底，實現了汗液的定向輸送和多組分綜合檢測的雙重功能。通過Janus織物獲得高效集汗，可以有效地將汗液從皮膚一側轉移到電極上，實現微量采集。該傳感器可以實現良好的傳感性能和高效的集汗雙重功能，并且具有良好的靈活性和佩戴的舒適性。Mugo等通過疊層組裝（LbL）在柔性棉織物基底上制備可穿戴式皮質醇傳感器。其具有良好的精度，對9.8～49.5 ng/mL的皮質醇響應迅速（<2 min），在動態范圍的平均相對標準偏差為6.4%；且皮質醇傳感器的檢測下限為8.00 ng/mL，符合人體汗液的生理水平；同時單個皮質醇傳感器貼片可以在30 d內重復使用15次，沒有性能損失，也證明了其出色的可重用性。Singh等制作了一種基于棉織物的可穿戴傳感器，用于實時葡萄糖監測。其制造分兩步進行，一是在棉織物上聚合吡咯以使其導電；二是在導電棉織物上沉積Cu-Mn。研究表明該傳感器可靠，葡萄糖檢出限和定量限分別為125 μM和378 μM。Ma等通過在棉織物上絲網印刷炭黑和再生絲膠，制備了一種基于紡織品的汗液傳感器。獲得的織物具有優異的柔韌性、良好的親水性（接觸角為86°）和適當的電阻率（61.7 Ω/cm），可用作可穿戴式汗液傳感器的工作電極。可穿戴式汗液傳感器具有高靈敏度（在酸性汗液中電阻變化率為42.7%）、柔韌性和可洗滌性（洗滌30次后仍保持99.1%）。

Mo等采用一種簡單而新穎的電助紡芯技術（EACST），開發了一種基于皮芯結構傳感紗的電化學織物傳感器，用于原位監測人體汗液中的鉀離子濃度。誘導紗表皮層納米纖維表現出優異的親水性和較高的比表面積（8.85 m/g），織物經、緯紗親疏水性差異顯著。因此，可以在皮膚傳感區域實現汗液極限域的吸收，從而使傳感器在短時間內（2.1s）快速響應并實現長期穩定傳感（6 000 s以上）。此外，該傳感器具有優異的選擇性，潛在的再現性及低噪聲和信號漂移（3.6×10 mV/s）。該傳感器還可以縫制到衣服上，有效地收集汗液，實時現場監測人體汗液中的K信號。

1.3 紙基底材料

在可穿戴式汗液傳感器中，以紙基作為基底的紙質汗液傳感器因其成本低、制作簡單、檢測時間短、采樣方便等優點而備受關注。此外，基于紙基的傳感器能過濾一些可能影響汗液傳感器檢測性能的不必要的干擾，即液體中的顆粒物質和灰塵。

Yang等提出了一種過濾汗液中皮脂的紙質三明治結構pH值傳感器。該傳感器可以過濾汗液中90%以上的皮脂，也可以監測人體代謝水平和身體pH值平衡，人體試驗進一步證實了紙質三明治結構傳感器的可行性。Al-Hardan等介紹了一種低成本且操作簡單制備pH值傳感器的方法，使用羊皮紙作為基底、鉛筆跡線作為電極來制備pH值傳感器。羊皮紙的疏水性延長了pH值傳感器的使用壽命。發明的傳感器具有能斯特響應，其靈敏度為（52.1±1.5）mV/pH，在pH值 4～10的線性度為0.995。Li等報告了一種低成本、獨立式、一次性的高集成傳感紙（HIS紙），將HIS紙折疊成多層結構，制備了能同時檢測葡萄糖和乳酸的雙通道電化學傳感器，其靈敏度分別為2.4 nA/μM和0.49 nA/mM。該方法為可穿戴生物電子在內的一系列生化平臺提供了一種小型化、低成本且靈活的解決方案。

2 柔性汗液傳感器的應用

汗液中的組分含量可以反映人體的生理狀況，常見的監測物質及有關信息如表2所示。在身體異常狀況下，汗液中的物質成分濃度會發生變化，如汗液中的血糖濃度變化通常會導致糖尿病或低血糖。同時，監測汗液的方法主要包括電化學、比色法等在內的多種方法進行監測，這些不同類型的監測方法可以應用在不同成本范圍和不同應用環境下，為柔性汗液傳感器在運動和靜息、治療和預防、疾病和保健等多種條件和目的下提供充足的備選。

2.1 用于監測電解質離子的柔性汗液傳感器

電解質濃度異常可導致酸中毒、腎功能衰竭等高發病率和高死亡率疾病的發生，而人體出汗率和電解質濃度密切相關，因此實時監測汗液中的電解質濃度和酸堿參數對人體健康預警特別重要。汗液中含有大量的Na、K、Cl、Ca、H等多種無機電解質離子，使汗液具有天然、安全、可靠的電解質特性。這些離子與人類的心率、血壓、心血管功能、肌肉收縮、酶激活和骨骼發育密切相關。通過分析特定電解質離子的濃度，可以達到早期診斷疾病的目的。

pH值和H濃度相關，主要用于維持人體pH值平衡。pH值是診斷疾病的關鍵指標，正常人體汗液的pH值約為3～8，但大多數情況約為弱酸性。然而，pH值的不正常波動會出現一些健康問題，如皮炎和真菌感染。因此pH值對健康起著重要作用，且汗液pH值與人體的水合狀態有關，是囊性纖維化等疾病狀診斷的重要指標。Hou等通過選擇合適的溶劑和靜電紡絲條件，將聚苯胺（PANI）和聚氨酯（PU）通過同軸靜電紡絲技術結合，成功研制出PANI//PU核殼納米纖維柔性pH汗液傳感器。該傳感器在pH 2～7內與pH值呈線性關系，靈敏度為-60 mV/pH且可以檢測到低于pH 0.2的變化，可用于汗液pH值的靈敏檢測。Ha等提出了基于姜黃素和熱塑性聚氨酯（C-TPU）電紡纖維的可穿戴比色汗液pH值傳感器，通過監測汗液pH值來診斷疾病狀態。該傳感器通過改變顏色來響應從烯醇到二酮形式的化學結構變化，從而幫助監測pH值。此外，傳感器通過恢復姜黃素的烯醇形式而具有可逆的pH值比色傳感性能，從而可診斷服裝具有耐用性和可重復使用性。這項研究有助于為需要持續汗液pH監測的囊性纖維化患者開發智能診斷服裝。

Cl是人體汗液中含量最豐富的電解質，測量其濃度可提供人體電解質平衡的最佳指標，也可用于診斷和預防中暑。Shitanda等制作了一種用于實時監測汗液的新型氯離子傳感器。打印的傳感器被熱轉移到非織造布上，從而可以輕松地附著在各種類型的衣服上。這種布料還可以防止皮膚和傳感器之間的接觸，并起到流動通道的作用。氯離子傳感器的電動勢變化量為-59.5 mTV/log C，且傳感器與人體汗液中氯離子濃度范圍呈良好的線性關系。此外，該傳感器還結合了無線發射器，可以無線監測汗液中的離子，適用于監測長期在高溫狀態下工作的人群，如工人、外賣員、戶外執勤民警等。

汗液中Na濃度的變化可以作為監測長期運動過程中脫水的生物標志物，這對運動員的水攝入量有重要意義。通過這種方式，可以預防因大量出汗而導致的水和電解質缺乏。同時Na濃度的變化還可以監測熱應激，檢測各種疾病，如低鈉血癥和囊性纖維化，為臨床診斷提供重要信息。K在神經和肌肉細胞功能、細胞生化反應和碳水化合物代謝中起重要作用。Mazzaracchio等制備了基于炭黑納米材料的絲網印刷電化學傳感器。對Na的檢測范圍為10 M～1 M，靈敏度為（58±3）mV/dec，檢出限為63 μM，這可以用來檢測實際汗液樣品中的鈉離子含量。Pirovano等使用聚（3，4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）和聚（3-辛基噻吩-2，5-二基）（POT）作為導電聚合物，并使用固體離子敏感電極（ISEs）來制備監測汗液的可穿戴傳感器。測試表明，PEDOT對鈉離子和鉀離子的靈敏度分別為（52.4±6.3）mV/dec和（45.7±7.4）mV/dec。POT對鈉離子和鉀離子的靈敏度分別為（56.4±2.2）mV/dec和（54.3±1.5）mV/dec。此外，運動員的騎行試驗表明，90 min內Na濃度的動態范圍為1.89～2.97 mm，K濃度的動態范圍為3.31～7.25 mm，可以用來測定高水平運動員汗液中的電解質。Alizadeh等研制了一種無線可穿戴汗液傳感裝置，適用于中等強度運動中電解質的連續監測，并可作為水合狀態的測量標準。Na和K的靈敏度分別為55.7 mV/dec和53.9 mV/dec，通過預測分析，該裝置可用于監測高強度排汗過程中的電解質，適用于監測運動員和健身愛好者。

2.2 用于監測代謝物的柔性汗液傳感器

乳酸積累會引起身體的酸痛和疲勞，長期積累會導致身體酸化或乳酸酸中毒等嚴重疾病，嚴重時可導致失血性休克。因此，檢測乳酸可以反映氧化代謝不足和組織損傷，用于預防運動中肌肉酸痛、疼痛和痙攣，并為缺血提供早期預警。

Zhang等利用絲網印刷技術，在PET的柔性基底上構建了一種基于銀納米線（AgNW）的表皮電化學生物傳感器（MIPs-AgNWS），用于人體運動汗液中乳酸的無創監測。該傳感器在200次彎曲和扭轉循環后表現出穩定的電化學響應。乳酸的監測范圍為10 M～0.1 M，檢測下限為0.22 μM。該傳感器在室溫和黑暗條件下存放7個月后，靈敏度保持在99.8%±1.7%，有利于運動員的保健和生理監測。Wang等研究合成ZIF-67衍生的NiCo層狀氫氧化物（NiCo LDH），作為非酶乳酸檢測的電催化劑，成功制備了無酶乳酸生物傳感器。NiCo-LDH具有均勻的孔隙率，較大的比表面積和層次化的層狀結構。在乳酸濃度為2～26 mM內，傳感器靈敏度達到83.98 μA/mM/cm。因此，該傳感器可以實現人體汗液中乳酸的無創監測，這在無氧運動和有氧運動中都具有重要意義。

血糖濃度是衡量患者健康狀況的關鍵指標。由于汗液中葡萄糖水平與血糖濃度相關，因此可以利用可穿戴汗液傳感器實時監測汗液中葡萄糖水平，從而反映患者的健康狀況。

Wang等通過在金電極上澆鑄普魯士藍和葡萄糖氧化酶，成功制備了基于PET的葡萄糖傳感器。該傳感器靈敏度為22.05 μA/mM/cm，線性檢測范圍為0.02～1.11 mM，最低檢出限為2.7 μM，同時對干擾物質有良好的靈敏度、線性范圍、檢出限、選擇性、重現性和長期穩定性，適合監測低血糖患者，防止血糖濃度過低造成心慌、昏迷等狀況。Franco等開發了一種基于CuO的非酶便攜式葡萄糖傳感器，在纖維素布上印刷石墨烯漿料作為工作電極。此研究中，傳感器在0.1～1 mM葡萄糖內具有良好的傳感性能，靈敏度為（182.9±8.83%）μA/mM/cm。Xiao等開發了一種基于微流控芯片的可穿戴傳感器，用于比色分析和汗液中葡萄糖的檢測。該傳感器的檢測線性范圍為0.1～0.5 mM，檢出限為0.03 mM，可用來監測糖尿病患者，杜絕血糖濃度過高導致糖尿病酮癥酸中毒、高血糖高滲綜合征等病癥。

2.3 用于監測生物分子的柔性汗液傳感器

酪氨酸（Tyr）是與多種疾病相關的疾病標志物，如酪氨酸血癥和神經性貪食癥。Xu等展示了一種基于單寧酸銀碳納米管聚苯胺（TA-Ag-CNT-PANI）復合水凝膠的電化學傳感器，用于檢測pH值和Tyr。該可穿戴汗液傳感器具有較高的靈敏度，較好的選擇性、穩定性和重復性，且單寧酸螯合銀納米粒子（TA-AgNPs）和碳納米管（CNTs）的存在顯著提高了水凝膠的導電性和柔韌性，使復合水凝膠具有抗菌能力。

皮質醇由腎上腺合成，是一種應激激素，在能量代謝和電解質平衡等生理過程中發揮重要作用，影響記憶、睡眠和情緒等認知過程。因此皮質醇被認為是用于監測人類心理健康的生物標志物之一。Madhu等提出了一種基于紗線的電化學傳感器平臺。該傳感器在1 fg/mL～1 μg/mL內呈良好的線性關系，循環伏安法和微分脈沖伏安法的檢出限分別為0.45 fg/mL和0.098 fg/mL，靈敏度為2.12 μA/（g/mL），可用于皮質醇的快速檢測。Sempionatto等制備了一種能夠實時監測汗液中電解質和代謝產物的柔性免疫傳感平臺，將其集成在眼鏡上，可用于高選擇性及高靈敏度測定汗液中的皮質醇。傳感器的檢出限為0.3 fg/mL，檢測范圍為1 fg/mL～1 mg/mL。檢測結果與市售化學發光免疫分析法基本一致，對皮質醇具有較高的靈敏度。該傳感平臺可作為汗液皮質醇的非侵入健康監測和臨床診斷工具，適合對工作強度高、壓力大的工作人群監測。

2.4 用于監測其他成分的柔性汗液傳感器

酒精濫用對個人健康、交通安全和醫療保健都有有害影響。研究表明，汗液中的乙醇濃度與血液中乙醇濃度高度相關，從而可以通過監測汗液中乙醇濃度來判斷血液中的酒精濃度。Kim等提出了一種用于酒精檢測的可穿戴文身生物傳感器系統。這種傳感器使匹羅卡品藥物通過經皮傳遞誘導汗液，并通過離子電泳和使用酒精氧化酶和普魯士藍電極換能器在產生的汗液中對乙醇進行安培檢測。該方法在可穿戴的臨時文身紙上使用絲網印刷技術制作所有電極，制備過程簡單，成本低廉。

維生素在人體的正常新陳代謝中起著重要作用，是肌體維持正常功能所必需的物質和營養元素。維生素C可以預防和治療血液系統疾病、恢復免疫系統、加速傷口愈合、皮膚管理，并增強身體的抗氧化能力。然而，大量攝入維生素C會導致腎臟疾病、血栓形成和結石。Sempoatto等提出了一種可穿戴的表皮生物傳感器，用于無創追蹤表皮汗液中維生素C的攝取濃度和動態趨勢。酶促反應消耗的維生素C含量與抗壞血酸濃度成正比，服用維生素C片劑或飲用果汁后可監測氧化還原電流的變化，不受尿酸、乙酰氨基酚等汗液成分的干擾。結果證明，該傳感器可用于評估膳食營養的跟蹤，從而改善佩戴者的飲食行為，正確攝取營養。

咖啡因屬于黃嘌呤生物堿，是一種相對安全的精神活性藥物，廣泛存在于咖啡、茶等產品中。由于咖啡因成癮，它與生命和健康密切相關。Tai等開發了一種可穿戴式皮膚傳感平臺，用于無創、實時、連續的藥物在線監測。研究表明，該傳感器對咖啡因濃度的線性響應靈敏度為110 nA/μM，檢測范圍為0～40 μM，檢出限為3×10 M，對尿素、葡萄糖、乳酸、抗壞血酸等干擾物質的響應小于9.2%。傳感器捕捉咖啡因最高濃度的生理趨勢的能力預計在30～120 min，構建的可穿戴汗液腕帶成功實現了對汗液中甲基黃嘌呤類藥物的連續監測。同時該平臺的微分脈沖伏安法（DPV）檢測技術還可以檢測到其他類型的甲基黃嘌呤藥物，為持續進行無創藥物監測鋪平了道路。

3 結 論

隨著各種技術的發展，靈活的可穿戴傳感器正在成為下一代智能可穿戴的工具，能夠以智能、簡便、實時的方式捕捉人體和周圍環境的信息，從而被廣泛應用于醫療、軍事等領域。除了上述應用領域外，能與人體皮膚緊密貼合的可穿戴設備也在腕帶、手環等領域迅速發展，然而，還存在一些問題。一是汗液的收集和利用。由于環境和生理差異，個體和身體部位的汗液含量存在差異。汗液的化學成分會因收集地點和提取方式的不同而有所不同，年齡和性別的差異也會影響汗液的成分。二是大多數情況下，傳感器多采用聚合物薄膜作為基底，并使用貴金屬作為導電電極，因此，透氣性差、穿著舒適性差、價格高是這些傳感器的主要缺點。三是除了佩戴汗液傳感器的舒適性和汗液檢測的靈敏度外，還需要考慮佩戴過程中人體運動和環境變化是否會影響檢測性能和靈敏度。

針對以上問題，今后可以通過建立具有動態波動范圍的標準化、個性化的汗液成分數據庫，可為柔性傳感器的進一步發展和應用奠定基礎。開發天然且成本低的材料制備可穿戴紡織品汗液傳感器已成為一種趨勢，如紡織基底材料及紙基底材料，可以滿足其佩戴的舒適性和透氣性。隨著研究人員對制備方法和實際應用的深入研究，柔性可穿戴傳感器會更加具有廣泛的應用前景，可穿戴設備有望在未來的日常健康和體育活動監測，以及疾病的預防、診斷、治療和愈后等方面發揮重要作用。

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Research and application progress of flexible sweat sensors

YAN Han， LIU Liyan， LI Zhijie， LUO Dan， LIU Hao

（a.School of Textile Science and Engineering; b.Institute of Smart Wearable Electronic Textiles， Tiangong University， Tianjin 300387， China）

Abstract：Sweat is the liquid secreted by the sweat glands of the human body and is distributed in all parts of the body， while sweat contains a wealth of information about human health. In addition to water， sweat contains electrolytes， metabolites， heavy metals， hormones， proteins， etc. The levels of electrolytes and other components in sweat can change significantly depending on the physical condition and environmental conditions， so the assessment of human health status can be realized by monitoring specific components in sweat. Compared with other biological fluids， sweat is easy to be collected and shows unique advantages in the field of wearable sensors， especially in health tracking and monitoring during human movement. In recent years， the rapid development of flexible wearable sensors and electronic device technologies has greatly facilitated the research on wearable sweat sensors. Currently， portable devices have been developed to capture the energy in sweat and store it. As the research on flexible sweat sensors continues to deepen， corresponding progress has been made in the design of wearable flexible sweat sensors， which are expected to play a greater role in the fields of healthcare， human movement monitoring， and aerospace.

Flexible wearable electronic devices need to match the bending and stretching of human skin without affecting the wearer’s daily activities. Since most of the substrates of traditional wearable sensors are rigid and cannot meet the wearable use of people， the research of flexible substrate materials has become the focus of the field of flexible sensors at this stage. Starting from the types of substrate materials for flexible sweat sensors， this paper described in detail the substrate materials commonly used for sweat sensors in recent years and briefly outlined the applications of flexible sweat sensors in monitoring. Finally， it summarized the current limitations and prospects for future development.

Flexible wearable sensors are now becoming the next generation of smart wearable tools， capable of capturing information about the human body and its surroundings in an intelligent， easy and real-time manner. However， there are still some problems. Firstly， in terms of sweat collection and utilization， due to environmental and physiological differences， there are variations in sweat levels in individuals and body parts. The chemical composition of sweat can vary depending on where it is collected and how it is extracted. Age and gender differences also affect the composition of sweat. Secondly， in most cases， polymer films are used as substrates and precious metals as conductive electrodes for sensors; therefore， these sensors have such main drawbacks as poor breathability， wearing comfort and high price. Finally， in addition to the comfort of wearing the sweat sensor and the sensitivity of sweat detection， it is also necessary to consider whether human movement and environmental changes during the wearing process will affect the detection performance and sensitivity.

To address the above issues， a standardized and personalized sweat composition database with dynamic fluctuation range can be established in the future， which can lay the foundation for further development and application of flexible sensors. It has become a trend to develop natural and low-cost materials such as textile substrate materials and paper substrate materials for the preparation of wearable textile sweat sensors， which can satisfy the comfort and breathability of their wearing. With the researchers’ in-depth study of preparation methods and practical applications， flexible wearable sensors will be more widely used， and wearable devices are expected to play an important role in the future monitoring of daily health and physical activities， as well as in the prevention， diagnosis， treatment and healing of diseases.

Key words：sweat; sensor; flexible; smart wearable; health detection; application