1、第 44 卷 第 3 期2023 年 3 月纺 织 学 报Journal of Textile ResearchVol.44,No.3Mar.,2023DOI:10.13475/j.fzxb.20210901210检测汗液用可穿戴电化学传感器的研究进展唐丽琴1,李 彦1,2,3,毛吉富1,2,3,汪 军1,王 璐1,2,3(1.东华大学 纺织学院,上海 201620;2.东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室,上海 201620;3.东华大学 纺织行业生物医用纺织材料与技术重点实验室,上海 201620)摘 要 为探究可穿戴电化学传感器在分析汗液中常见的内源性分析物和外源性分析物方面的应用,首
2、先介绍了汗液和电化学传感器的概念以及汗液传统提取方法和新型提取策略,详细分析了 2 种汗液提取方式的优势与不足。其次阐述了不同分析物和传感器基材材料的研究及其应用现状。从最基础的汗液收集和储备出发,总结了汗液中各种可能存在物质的电化学传感器的检测意义和构建策略,概述了从刚性可穿戴到柔性可穿戴电子设备的发展,并指出可穿戴电化学传感器在纺织行业中发展存在的问题以及对其在纺织行业中的未来发展方向进行了展望。关键词 可穿戴;汗液;电化学传感器;纺织品;个性化医疗;柔性电子中图分类号:TP 212 文献标志码:A 收稿日期:2021-09-06 修回日期:2022-12-21基金项目:中央高校基本科研业
3、务费专项资金资助项目(2232020G-01);高等学校学科创新引智计划项目(BP0719035)第一作者:唐丽琴(1997),女,博士生。主要研究方向生物医用纺织品。通信作者:李彦(1987),女,副教授,博士。主要研究方向为生物医用纺织品。E-mail:。血液分析被认为是生物计量分析领域的黄金标准1。但血液采集是一个痛苦的过程,反复抽血给病人带来疼痛感的同时还会有一定的感染风险。而其它生物流体如汗液、尿液和泪液等有望代替血液,但在应用时具有一定局限性,其中汗液已经是公认的具有高价值的液体。汗液成分复杂,现在普遍认为其 98%99%的成分是水,剩余部分则包含各种电解质离子、代谢物分子、蛋白质
4、、激素、肽等2-4,口服或注射药物等也会经代谢后以汗液的形式排出人体。这些物质中任何一种的缺失和紊乱都意味着人体存在着健康隐患,对其进行实时监测和诊断有着重大意义。电化学技术已被广泛用于开发可穿戴传感器,具有便携性、微型化和高灵敏度等优势。电化学传感器因具有容易微型化、灵敏度高、成本低等一系列优点从众多种类的传感器中脱颖而出。临床上反复抽血检验往往带来疼痛感和高的感染风险,通过可穿戴的电化学传感器检测各种体液(汗液、组织液、唾液和泪液等),则可实现无创非侵入、操作简单、诊疗一体化和个性化医疗的过程。智能可穿戴设备指可直接穿在身上,或将其整合到纺织品及其配件中的一种便携式设备,具有质量轻、灵活度
5、高、实现个性化治疗等优点。构建的一系列可穿戴汗液传感器可通过监测电解质失衡程度来判断脱水状况、葡萄糖浓度以监测糖尿病患者血糖和药物水平从而方便医生调整用药等。有关汗液中的某些物质浓度与血液中相应物质浓度具有相关性的报道逐年增多,这更为基于汗液的可穿戴传感器奠定了良好的理论基础。可穿戴传感器现有综述大都针对所有种类体液5-7,集中在材料、传感机制和传感性能等方面。遗憾的是,受限于纺织品不导电的缺陷,真正基于纺织品的电化学传感器研究尚在努力。本文着眼于汗液,从汗液提取入手,不仅全面概述了汗液中可能或已有的分析物成分及检测意义和应用,还总结了从刚性电化学传感器到柔性纺织基可穿戴电化学传感的研究和发展
6、趋势,最后对汗液监测在纺织行业中的应用进行了展望。期望以此促进可穿戴电子设备与纺织领域的融合,带动智能纺织品技术的未来发展。1 汗液可穿戴电化学传感器1.1 体 液 组织液(interstitial fluid,ISF)是存在于组织间隙中的体液,为细胞的生活提供内环境8。ISF 中的大分子物质的稀释相比其它体液要小很多,检测要求更为精准。然而,组织液往往需要微针阵列来接触,长时间地穿戴微针设备会引起生物淤积。唾 纺织学报第 44 卷液是一种口腔液体,成分丰富,其中,蛋白质种类就高达 1 116 种9-10,但是由于唾液传感器通常与护齿套或假牙系统整合,非常容易受到外来食物饮料或口服药物的影响。
7、泪液的主要成分是蛋白质,是这几种生物流体中蛋白质种类最多的体液11。然而泪液的限制主要在于取样,泪液的取样是点向取样、时间离散,并且任何刺激方式(情绪刺激、药物刺激和电流刺激等)下产生的眼泪会含有更高浓度的激素,导致检测结果不可靠。人类皮肤有多达200 多万个汗腺,汗腺分布于全身,以手、足部为多。汗液中含有丰富的潜在与健康和疾病相关的标志物,具有容易收集、简单快速等优势,成为非侵入式检测的典型体液。1.2 电化学传感器 近年来,各种类型的传感模式应用于汗液传感,如光学(比色12-14、荧光15和发光)、有机晶体管(organic transistor,OFET)16-18、电化学等,特别是最早
8、出现的比色传感器实现了真正意义的可穿戴,将比色元件与纤维及织物进行整合,仅用肉眼即可直接或间接对目标物质浓度进行定性/定量检测,然而主观意识过强、色盲不友好以及低检测限等成为其最大缺陷。而有机晶体管存在装置较为复杂等问题,在一定程度上限制其发展和应用。汗液分析用可穿戴电化学传感器一般由汗液提取体系、基底材料和传感体系 3 大部分组成。其中,对于可穿戴电子器件来说,最理想的基底材料是纸(泛指所有多孔纤维集合体材料)和纺织品,其可最大程度上保证透气性、舒适性和皮肤相容性等等,在不影响传感器性能的同时,提高与皮肤间的匹配度,承受各种拉伸与挤压(如走路、运动等日常活动)。2 汗液提取方法 静坐人群或正
9、常活动人群自然出汗量极少,研究6表明,对汗液中的生物标志物实现可靠精确的测量要求样品汗液体积至少为 0.06 L/mm2,因此高效且有效的集汗方式策略构建对汗液传感器具有重大的意义。2.1 传统提取方法 最早的汗液提取是为了研究汗液产生机制及其成分19,通过“全身沐浴法”即收集受试者尽可能着少量衣物运动后产生的汗液20。最早用于临床的收集汗液方法是用于诊疗出生婴儿囊性纤维化时基于毛果芸香碱的化学刺激汗液排出来检测汗液氯离子,但这些化学刺激需要额外的工具辅助。另一种常用的集汗方式是运动出汗21-23,在运动过程中用试管或收集包贴附在皮肤表面,通过延长运动时间、运动前增大喝水量或提高环境温度都可以
10、有效增加人体排汗量24-25,但这些方式对年老体弱的病人来说比较困难。值得注意的是,汗液中一些特殊的分析物浓度会由于不当的集汗方式而变化,如皮质醇常被称为“压力荷尔蒙”,当采用运动或电刺激的排汗方式可能会增加受试者的压力从而使得汗液中的皮质醇浓度比实际偏高。再比如高强度运动和高温刺激本身会导致受试者脱水,大量饮水易引起低钠血症,都不是连续监测健康的有效方法,因此,收集静息汗液成为研究热点。2.2 新型提取策略 应用纸张、水凝胶、吸水垫等多种吸水性优良的材料和汗液引导通道如微流体于汗液传感器的集样部分,Kim 等26用水凝胶覆盖“熊猫”样式的电极,所用的水凝胶含缓冲液可避免重复离子电渗后离子的聚
11、集导致的 pH 值变化,且水凝胶材料可减轻电刺激对皮肤带来的损伤。Gao 等27在皮肤和传感器系统之间放置较薄的人造丝吸水垫,用于吸收汗液并收集。基于这类研究,Javey 等28提出最理想的可穿戴汗液传感器应该基于日常和久坐的人群,利用手部出汗最多的理论实现了手套基汗液传感,避免汗液蒸发的同时可在 30 min 内成功获得数百微升的自然汗液,这项研究为不需主动刺激出汗的汗液提取方式提供了一个崭新的思路。除了上述问题,理想的汗液提取还需注意消除皮肤表面或周围环境的污染、装置的微型化和规模化以及不影响佩戴者任何日常活动的舒适性等等,值得进一步的研究和探索。3 可穿戴电化学传感器对汗液的监测 汗液主
12、要由水、丰富的代谢物及各种蛋白质、激素、氨基酸组成。本文将汗液中的物质分为内源性分析物和外源性分析物,内源性分析物包括代谢物和电解质以及含量相对较少的人体蛋白质、激素和肽等;外源性分析物通过口服或注射进入体内,随着代谢也会极少量出现在汗液中,比如药物分子。3.1 代谢物和电解质 代谢物(如葡萄糖、乳酸、乙醇等)和电解质(如钾、钠、氯离子等)是汗液成分中含量相对较高的物质,关于这类分析物的可穿戴汗液传感器也已经相对成熟。通过对这类生物标记物的连续监测,可为使用者提供各种致病因素和运动指标的基础信息。222第 3 期唐丽琴 等:检测汗液用可穿戴电化学传感器的研究进展 3.1.1 葡萄糖 糖尿病的全
13、球化和年轻化极大促进了除血糖外的表皮监测传感器的发展。研究表明,汗糖浓度与同时收集的血液样本中的葡萄糖含量具有可靠相关性29。通过汗糖监测可有效预防或治疗糖尿病及其并发症如心血管疾病、慢性肾衰竭等30-31。可穿戴葡萄糖汗液传感器按照是否需要生物酶辅助催化将传感器分为 2 类:酶类和非酶类葡萄糖电化学传感器。酶类葡萄糖电化学传感器32-34相对成 熟,Cao 等30开 发 了 聚 对 苯 二 甲 酸 乙 二酯(PET)衬底的三维微流控电化学集成装置,利用滤纸的毛细管作用和蜡的疏水性收集汗液,在电极上固定化酶以实现对葡萄糖的催化检测。然而酶电极易失活、难保存、电极稳定性差,非酶葡萄糖电化学传感器
14、成为研究重点。金属或合金的非酶传感器被认为生物相容性较差35,而过渡金属及其氧化物的纳米材料是优良的类酶材料对葡萄糖有催化作用36,Oh 等37在用碳纳米管(carbon nanotubes,CNT)修饰的金纳米片电极上涂覆 CoWO4/CNT 和聚苯胺/CNT 纳米复合材料,可长时间连续对葡萄糖 进 行 监 测。金 属 有 机 框 架(metal-organic frameworks,MOFs)由于其电催化活性突出、比表面积高和丰富的活性位点被广泛应用于催化材料38-40,过渡金属(镍、钴、铜)系 MOF 材料都是极好的类酶葡萄糖传感材料41-43,Li 等38在镍泡沫片上原位生长 Co-M
15、OF,检测限低达 1.3 nmol/L,安培响应时间小于 5 s。类酶材料的一大弊病在于催化葡萄糖的介质必须为碱性44,而人体汗液的 pH值为弱酸性。针对这个问题,Zhu 等45在基底电极和葡萄糖传感元件中间加入了水裂解反应装置,通过水裂解产生 OH-调节汗液 pH 值从而使得葡萄糖催化环境一直保持碱性。3.1.2 乳酸和尿酸 L-乳酸是葡萄糖在肌肉中无氧代谢的产物,剧烈运 动 后 正 常 人 汗 液 中 的 乳 酸 浓 度 高 达25 mmol/L,连续运动可能会导致乳酸酸中毒。而尿酸是人体嘌呤代谢的最终产物,体液尿酸过高会导致痛风、心血管、肾脏等疾病。用于检测这类有机化合物的可穿戴汗液传感
16、器大多是相应的酶电极,与前述酶葡萄糖传感器构建原理类似。Garcia 等46设计了基于 NAD+的生物酶传感器用来检测汗液乳酸,并加入生物燃料电池电源系统,其中生物燃料电池在供能基础上还能通过葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖,生物酶传感器基于乳酸脱氢酶可实现乳酸的线性电流响应,线性检测范围为 5100 mmol/L。Luo 等47又开发了基于棉织物的可穿戴安培型乳酸传感器,将三电极油墨印刷到棉织物上,通过固定化乳酸氧化酶至工作电极实现对乳酸的检测,该传感器检测时间只需约5 min。同样是受限于酶类的环境敏感性,乳酸传感器也开始出现了非酶传感的研究,Zhang 等25提出了基 于 分 子 印 迹 聚 合 物(molecularly imprinted polymers,MIPs)和丝网印刷电极的柔性电化学汗液乳酸传感器,洗脱乳酸分子后形成许多与目标分子空间构型匹配的空穴,通过空穴对目标分子的选择识别实现监测。实验结果证明,基于 MIPs的 传 感 器 有 很 好 的 特 异 性,检 测 限 为0.22 mol/L,且柔性电极耐弯曲和扭曲性能优良。对汗液中尿酸检测的传感器还相对较少,Yang 等
