距离你实现第六感，只差这一步！！

摘要：仪器分析手段的出现极大地丰富了人类认知世界的方式。近年来，仪器分析得到了长足的发展，除了大型仪器的制造，微型、智能化、可穿戴的分析仪器也逐渐从实验室走向人们的生活。随着科学的进步和社会的发展, 柔性电子学蓬勃发展。柔性电子器件与人体集成必然是柔性电子学与健康医疗交叉发展的大势所在。不言而喻，具有可拉伸、可变形、超柔性等特点的可穿戴式传感器能在提升用户体验的同时与人体长时间高度兼容, 并在医学诊断、治疗等领域发挥着不可替代的重要作用。本文中，我们将以可穿戴式传感器为主题, 重点介绍其监测人体健康方面的应用进展。

关键词：仪器分析；柔性电子；可穿戴；化学传感器；人体健康

糖尿病作为困扰人类、危害人类身体健康的重大全球性健康问题之一，引起人们的广泛关注。糖尿病患者每天都需要进行多次扎针采血来测定血糖浓度，为进一步的检测和治疗提供数据。不言而喻，这样简单的检测方式会使患者遭受许多痛苦。随着科技的进步，科研人员发明了非侵入式的血糖测量仪，大大减小了血糖检测的难度也减轻了患者的痛苦。然而，传统的非侵入式检测设备依然比较笨重，并不方便携带。电子设备与人体之间的距离，也决定了这种测试手段只能局限于点状的数据检测。实现原位、实时、便携、易于与人体表面兼容的各类传感设备依然有待研究。

马克思主义哲学告诉我们，运动是绝对的而静止是相对的。类似的，我们可以认为平面是绝对的而曲面是相对的。在传统的、平面的、刚性的电子器件研究进入瓶颈时，柔性电子学的概念被引入进来。柔性电子的概念自提出以来就备受关注, 不仅因为它颠覆了传统电子器件（储能、传感、显示等）的形貌、性能和使用方式，更因为它与人们日常生活息息相关。

作为一种既可以安装在人体表面，又具有感知、传递和处理信息等传统功能的电子设备，可穿戴电子器件引起了人们的广泛关注。不难理解，和电子器件整体相搭配的传感单元是整个系统的核心组成部分之一。形式各样的传感器延伸了人类的感官，帮助人们实现了“第六感”的功能。近年来，可穿戴电子器件的研究热度持续增长，特别是在人类的生命健康领域，可穿戴式传感器件的材料和结构设计也得到了长足的发展。

通过检测生命体释放的物理学信号进行健康状况检测具有重要意义。科学家们研发了一系列具有优异性能的血压传感器[1]、体温传感器[2]等。然而，生物物理学信息能反映的生命状态十分有限，也因此，非入侵式的体液传感器件，特别是组织液和汗液的可穿戴式传感器，由于其具有既能检测人体的生物分子动态，又可以减少患者疼痛等优点，得到了学术界和产业界的广泛关注。

加州大学圣地亚哥分校的Joseph Wang等人将反离子电渗法和电流型酶传感器巧妙地结合起来，成功地制备了一种可用于组织液葡萄糖含量监测的纹身型传感器件，这种传感器的工作原理如图1所示[3]。相关的体外实验表明，这种纹身型传感器件在生理浓度范围内，对葡萄糖的具有良好的线性响应，且不易受常见电活性干扰物质的影响。研究人员们可以通过这种传感器检测得到可与商品化血糖检测仪所得数据相媲美的葡萄糖浓度曲线，进一步证明了这种纹身型传感器件在非侵入式检测体液成分（即葡萄糖浓度）等方面具有良好的商业化前景。

图1 纹身型传感器件工作原理示意图

首尔国立大学的Dae-Hyeong Kim等人以柔性PDMS材料为基底，通过光刻法，热蒸镀以及湿法刻蚀制备电极阵列，进一步对设备进行设计并将系统集成化后，最终制备了一种基于功能化化学蒸汽沉积石墨烯的新型糖尿病监测和治疗设备，如图2[4]。在检测人类汗液中的重要生物标志物时，石墨烯生物化学传感器的固态Ag/AgCl辅助电极增强了传感器的电化学活性、灵敏度和选择性。精心制备的用于监测汗液中生物标志物和生理信息的传感器，通过经皮给药可实现闭环、定点给药进行糖尿病的治疗。此外，制备的葡萄糖传感器经过了pH和温度的校准，确保检测的准确性。PDMS柔性材料的使用增强了设备与人的贴合性，提高了皮肤生化传感器药物输送效果。无线连接的应用进一步凸显了该系统的实用性。

图2 掺杂石墨烯电化学传感器设备和热响应释药微针示意图及相应图像

美国加州大学伯克利分校的Ali Javey等人2016年在Nature杂志发表论文，报道了其团队巧妙设计并制备的一种具有原位分析汗液成分功能的可穿戴式传感器件[5]。PET材料由于其具有基于σ键的长链高分子结构，具有较好的力学性质，经常被用于柔性器件的基底材料。本文中，研究者们以柔性PET材料为基底，先后经过光刻、电子束蒸镀、O2 plasma刻蚀、银刻蚀等加工工艺，得到柔性电极阵列。在进一步对电极进行化学修饰后，研究者们成功制备出具有集成结构的可穿戴传感器阵列。这种传感器在稳定性、选择性、灵敏度、等方面具有优异的性能它能够实现实时且原位地监测汗液中葡萄糖、乳酸、钾离子、钠离子浓度以及温度等信息。就器件整体的力学性能而言，研究人员们以柔性PET为基底构建传感器的电极阵列，而采用的无线印刷线路板也基于相应的柔性材料。因此，组成的整个设备体积适中，经过简便的加工便可戴在人的身体表面，例如手或头等部位上使用。此外，通过功能的优化，研究人员们可以实现传感器在检测得到数据后，自动向用户的智能手机发送进而实现传感信息的无线实时接收，使用起来可谓十分方便。

图3柔性电极阵列的制备过程、可穿戴式传感器阵列示意图、柔性集成阵列传感器照片

Roll-to-Roll（卷对卷）旋转丝网印刷是一种工业化大批量制造柔性电子器件的有效方法，且成本低廉、技术较为成熟。而激光刻蚀允许材料在小尺度下进行快速图案化，并且可在柔性塑料基板进行微流体通道的雕刻。加州大学伯克利分校Ali Javey教授团队将卷对卷旋转丝网印刷传感电子设备和激光切割微流体通道巧妙地结合起来，成功开发了一种可以大批量生产，具有分析监控用户汗液电化学性质的汗液传感器[6]。这种贴片型传感器的双层结构如下图所示：第一层将用于转换分析物浓度与监测汗液速率的图案化电极系统集成起来，而第二层是具有汗液收集容器和引导汗液流动的螺旋微流体通道的微流体粘合剂层。在微流体内封装汗液减少了蒸发和环境污染带来的影响从而对汗液进行准确的分析，并提供有效的汗液取样以减少混合和遗留。该可穿戴贴片可以同时监测身体不同区域的汗液参数，如钠离子、钾离子葡萄糖等物质的浓度，在运动生理学和医学健康监测中具有广泛的应用。

图 4 卷对卷印刷法制造的汗液感应贴片的示意图

近年来，对体液成分生理学意义的研究使得汗液传感器对于监测离子，代谢物和重金属有了长足的进步。但是体液尤其是汗液中，一些更为复杂的分子如荷尔蒙，蛋白质，和肽类的成分却很难被检测。这些复杂的分子对机体的调整起到重要作用，并且他们在体液中的含量很可能直接与血液相关。如果可以在体液中实现对他们的监测，便可提供人体生理平衡和整体健康状况更深入的理解。此外，大规模可以提供数据挖掘的人体实验对于研究汗液中待测物的含量和健康状况至关重要，大数据的方式可以将待测物在没有明确知道其化学形成过程的时候通过其导致的相关的生理现象反向推断其分泌过程。数据关联性研究可以帮助实现最终的个人健康诊断检测方法。因此，特定应用导向型的算法发展对于这些数据分析至关重要。

综上所述，目前可穿戴式传感器正朝着小型化、集成化方向发展，而且要求能够同时检测多个生理指标。当然还有传感器还面临着高灵敏度、高分辨率、快速响应、低成本等普遍挑战，需要科学家们持续研究来克服。