《Sensors International》：Non-invasive wearable electrochemical biosensors for personalized applications in health management
編輯推薦：
本綜述深入探討了無創可穿戴電化學生物傳感器（WEBSs）在個性化健康管理中的最新進展。文章聚焦于通過汗液、淚液、唾液等體液實時監測生理生化指標，系統回顧了傳感器工作原理、關鍵功能性敏感膜材料（如碳基/金屬基材料）、高效體液采集技術、多路復用檢測策略、系統集成與人工智能（AI/ML）輔助診斷，并展望了其在糖尿病、精神障礙等慢性病管理中的應用前景與當前挑戰。
在當今大數據與可穿戴技術飛速發展的時代，人們對實時健康追蹤、疾病預測與個性化醫療的需求日益增長。傳統的血液分析雖然準確，但其有創采樣、依賴專業設備和耗時長的缺點，促使研究者們將目光轉向了汗液、淚液、組織間液等易于獲取的體液。由此，無創可穿戴電化學生物傳感器應運而生，它們正成為變革個性化健康管理的強大工具。
這些傳感器就像貼附在皮膚上的“微型實驗室”，能夠持續、舒適地監測我們身體內部的化學信號。其核心優勢在于無創、實時、用戶友好。與依賴癥狀顯現的傳統診斷不同，它們能提前捕捉非直觀的健康模式，為設計個性化治療方案、調整藥物劑量提供深層見解。
構筑靈敏的“感知皮膚”：關鍵材料與設計
傳感器的性能核心在于其功能性敏感膜材料。這些材料需要兼具柔韌性以適應皮膚形變，又要有高靈敏度和選擇性來精準捕獲目標分子。
- •
碳基材料如碳納米管和石墨烯，因其優異的導電性和生物相容性成為理想基底。通過構建多孔結構或與DNA等功能分子復合，可以顯著增加電活性表面積，提升檢測效率。例如，DNA修飾的單壁碳納米管能實現亞納米級的結構解析，為精準設計碳基材料提供了新范式。
- •
金屬基材料如金屬有機框架（MOFs）和MXenes，提供了豐富的活性位點。通過原子級活性位點調控和多維結構工程，可以克服其導電性差等局限。例如，酞菁基導電MOF（NiPc-O-Co）通過構建Ni/Co雙原子活性中心，實現了對尿酸和酪氨酸的特異性識別與高靈敏檢測。
- •
量子點材料如膠體半導體量子點，利用其量子尺寸效應和大的比表面積，為構建高靈敏、高特異性的生物傳感界面提供了新途徑。例如，采用PbS量子點電標記蛋白分子，可用于SARS-CoV-2蛋白的檢測。
這些材料通過微納加工、絲網印刷、3D打印等技術，被集成到聚酰亞胺（PI）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、紡織品等柔性基底上，最終制成可緊密貼合皮膚的柔性傳感器。
巧取“生命之水”：高效體液采集策略
穩定的信號來源于有效的樣本。針對不同體液的特性和采集挑戰，研究者們開發了各具特色的高效采集技術。
- •
汗液采集：汗液分泌動態且不均一。傳統的運動誘發方式無法滿足日常連續監測的需求。目前，離子電滲療法結合化學刺激劑（如毛果蕓香堿）可在靜態下快速誘導出汗。更巧妙的是，仿生微流控技術大顯身手：受仙人掌刺啟發的楔形通道能自發、定向收集汗液；模擬竹葉結構的微流道能讓汗液在不同階段快速流過；模仿樹木蒸騰作用的“樹狀”仿生微流控芯片，則能提升檢測區汗液的流速和更新率。此外，具有不對稱潤濕性的智能Janus紡織品，也能實現汗液從皮膚到電極表面的單向傳輸。
- •
淚液采集：淚液量少且眼表敏感。微流控芯片技術能極大減少樣本消耗，結合智能手機進行熒光成像分析，可用于干眼癥（DED）的即時診斷。智能隱形眼鏡是一個理想的連續監測平臺，已有研究將葡萄糖傳感與藥物釋放功能集成其中。為了提升舒適度，將微流控傳感系統集成到普通眼鏡的鼻托上，通過刺激淚液分泌進行采集，成為一種有效的替代方案。
- •
唾液采集：唾液成分復雜，但可利用口腔自然運動驅動。護口器和智能奶嘴是典型平臺。例如，將葡萄糖傳感器集成于護口器中，并通過醋酸纖維素（CA）膜抑制干擾物，可直接檢測唾液葡萄糖。智能奶嘴則利用嬰兒的吸吮動作主動泵送唾液進行檢測。
從“單兵作戰”到“集團軍”：多路復用傳感與系統集成
單一生物標志物往往不足以支撐可靠的臨床判斷。因此，能同時監測多種參數的多路復用電化學傳感器成為重要方向。早在2016年，研究者就開發了可同時測量汗液中葡萄糖、乳酸和電解質的腕帶集成系統。通過在單一柔性平臺上集成傳感器陣列（如葡萄糖、乳酸、鈉、鉀、溫度、pH傳感器），并結合智能算法進行多通道數據融合，可以相互校準，顯著提高診斷準確性，為早期篩查和療效評估提供更全面的信息。
進一步地，將這些生化傳感器與記錄心率（HR）、血氧飽和度（SpO2）等生理參數的傳感器集成，構建多功能集成穿戴傳感系統，能夠更全面地反映用戶的整體健康狀態，實現真正意義上的多模態健康監控。
讓傳感器“自給自足”：能量供給與管理
可穿戴設備的長期運行離不開可持續的能源。研究正朝著使傳感器盡可能“自給自足”的方向發展。新型供能技術包括：
- •
生物燃料電池：利用汗液中的燃料（如乳酸）發電。
- •
柔性太陽能電池：在室內外光照條件下收集能量。
- •
摩擦納米發電機：利用人體運動機械能發電。
這些能量收集模塊與高能量密度微電池結合，既能減輕佩戴負擔，又能延長設備續航。
賦予傳感器“智慧大腦”：人工智能賦能
海量的實時監測數據需要高效處理。人工智能（AI）和機器學習（ML）的引入，為可穿戴傳感注入了“智慧大腦”。AI/ML能夠：
- •
動態數據處理：實時處理信號，識別異常模式。
- •
早期風險預測：通過分析數據趨勢，預測健康風險。
- •
個性化干預推薦：根據用戶健康狀況，自動生成警報或建議。
例如，利用梯度提升算法處理多電極系統的循環伏安數據，或通過人工神經網絡模型從混合物的測量數據中精確預測特定物質濃度，大大提升了數據分析的效率和準確性。
聚焦個性化健康：從慢病管理到精神健康
這些技術正在多個健康管理領域展現出巨大應用潛力：
- •
糖尿病管理：通過無線貼片傳感器監測汗液或淚液中的葡萄糖，甚至開發集成葡萄糖傳感與胰島素注射的閉環系統，以及同步檢測葡萄糖和酮體的指尖觸摸式傳感器，為糖尿病患者提供了更便捷、連續的監測手段。
- •
精神障礙管理：通過檢測汗液中的應激激素（如皮質醇）、神經遞質（如多巴胺）或炎癥因子（如細胞因子），為抑郁癥、焦慮癥、創傷后應激障礙的客觀評估和監測提供了新途徑。例如，有機電化學晶體管結合分子選擇膜，可用于皮質醇的高選擇性檢測。
挑戰與未來展望
盡管前景廣闊，但無創可穿戴電化學生物傳感器走向大規模臨床應用仍面臨諸多挑戰：個體差異（如汗液分泌率、成分）、環境干擾、長期穩定性、數據安全與隱私、以及臨床驗證標準的缺乏等。
未來，隨著材料科學、微納技術、無線通信和人工智能的持續融合，智能生物傳感系統有望在預防性和精準醫療中扮演更核心的角色，推動醫療健康模式從“被動應對”向“主動預防”與“個性化干預”深刻轉變。
