Commun. Mater. | 用于汗液监测的可穿戴光学传感器

可穿戴光学传感器已成为一项很有前途的技术，开辟了一种监测人体汗液的新方法。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比色法、表面增强拉曼光谱法、荧光法和电化学发光法四种分析方法将汗液化学信息传递到光信号中。为了提高便携性，许多外部激光源设备和成像模块都基于不同的光学方法进行了升级。

本月17日发表在《Communications Materials》的文章总结了光学汗液传感器的最新进展，重点介绍了它们的原理、发展、优势和局限性。最后，讨论了可穿戴光学传感器在材料、汗液收集、数据分析和外部集成电子等领域的当前挑战和未来前景。

随着材料、集成电路和柔性电子技术的进步，可穿戴传感器逐渐扩展了心率、睡眠和运动等监测功能。物理传感器在当前的可穿戴设备中发挥着重要作用。如：光电晶体管测量血流量和心率，加速度计跟踪用户活动。而人类的综合生理状态需要通过化学传感器和物理传感器协同捕捉。汗液作为一种生物流体，蕴含着丰富的生理学信息，含有电解质、代谢物、营养物质、激素等。它与血液具有一定的相关性，在个性化医疗保健、运动、疾病诊断方面具有重要价值。例如，汗液氯化物水平可以筛查囊性纤维化，汗液葡萄糖水平可以作为糖尿病的潜在指标，汗液乙醇分析可用于验证酒精的摄入量。此外，汗液可以在皮肤上无创地持续获得，避免了血液、间质液 （ISF） 和尿液聚集引起的不适和间歇性。因此，汗液是一种有吸引力的生物流体，并已广泛用于可穿戴化学传感器。

集成电路和无线通信技术的最新进展支持将化学信号转换为电信号的电化学表皮传感器。这些平台主要采用安培法、电位法和伏安法分析方法。与依赖于复杂、精密电路和电池的电化学传感器不同，光学器件因其结构简单、尺寸紧凑而代表了汗液分析技术发展的新策略。比色法、表面增强拉曼散射 （SERS）、荧光和电化学发光 （ECL） 应用于可穿戴光学皮肤界面的汗液分析。汗液中的化学信号通过发色团或荧光团分子等转换为光信号。随后，这些生理信息可以直接解释或通过智能手机和便携式拉曼光谱仪等外部设备读取。光学传感与最近先进的柔性器件和微流控技术的集成，逐渐加速了用于收集和分析汗液的集成和柔性光学平台的发展。

这篇综述展示了可穿戴光学汗液传感器的发展历程。首先，从原理、材料、结构、应用和局限性等方面总结了基于比色、SERS、荧光和ECL机制的可穿戴光学汗液传感器的最新进展。然后，讨论了可穿戴光学汗液传感器目前面临的挑战，并概述了其前景的潜在方向。

可穿戴光学汗液传感器已经发展了几年，基于多种机理和功能，推动了光学皮肤接口传感器的升级。如上表所示，与电化学汗液传感器不同，比色汗贴更便携、更紧凑、成本更低，因为避免了复杂的电路（用于数据采集和传输）。可穿戴SERS传感器具有不可替代的优势：无标签、高特异性和良好的灵敏度（单分子检测）。其局限性在于它们需要与专门的拉曼光谱仪进行协调，这增加了长期监测的不便和可用成本。可穿戴荧光和电化学发光汗液传感器基于发光，具有很高的选择性和灵敏度。这些传感器需要互补的附件来获取光信号（激光源、电子电路），在长期监控过程中会带来高功耗。基于发光的传感器也很容易受到环境光（如阳光）的影响，并且需要暗盒来捕获精确的光信号。

光学汗液传感器为医疗保健构建了灵敏、经济和非侵入性的平台，包括各种营养、代谢、电解质。目前，虽然比色汗液装置已逐步商业化，但其他类型仍处于实验室阶段。至于光学汗液贴片中传感材料的前景，需要探索汗液中更丰富的靶标分析物，如蛋白质、激素。然后，光学传感应应满足灵敏度、特异性、准确性和再生产性的要求。因此，需要开发更多用于光学传感和增强信号的潜在探针。汗斑大多是一次性物品，可生物降解材料，可回收的摄政是减少废弃组件对环境影响的必要条件。例如，TPC可以替代常用的有机硅弹性体，如PDMS、Ecoflex；用于pH检测的天然产物花青素。考虑到佩戴舒适性和皮肤顺应性，对柔性和可拉伸材料的需求对于防止不适和潜在伤害至关重要，尤其是在长期佩戴期间。

在汗液处理方面，结合吸收材料（纸张、纺织品、水凝胶）和先进的汗液控制和反馈系统（微流控和超润湿界面），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限制。精密的泵和阀结构可实现手指或自动驱动、自我反馈、时间和定量检测，采用先进的微纳技术制造，包括光刻、激光蚀刻、3D打印、卷对卷（R2R）和数字光处理（DLP）。

在数据读出和分析方面，光学汗液传感器需要与外部设备协作进行数据读取。除了标准的比色卡和智能手机外，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）。除了传统的曲线拟合外，还需要机器学习和人工智能的集成来精确分析、校准和预测数据。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。

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