电化学传感器因其响应速度快、灵敏度高、选择性好和易于定量化而被广泛用于检测物质浓度。随着柔性电子技术的迅速发展，电化学传感器已经发展为柔性可穿戴形态，被用于生物液/气流体的原位分析，从而以便携、无创的方式实现对生理指标和健康状态的连续监测，在智慧健康与医疗领域展现出巨大潜力。
据麦姆斯咨询报道，来自清华大学和河北科技大学的研究人员在《化学学报》期刊上发表题为“柔性电化学传感器及其在无创医学检测中的应用”的综述性论文，对面向无创医学检测的柔性电化学传感器的设计与应用进行了总结。该综述首先介绍了柔性电化学传感器的基本构成，随后讨论了各种类型传感器的工作原理，接着系统性概况了柔性电化学传感器在汗液、间质液、泪液、唾液和呼吸气体等典型生物流体中重要化学物质检测方面的最新进展。最后，该综述总结并讨论了柔性电化学传感器所面临的挑战与机遇，展望了其在无创健康监测和精准医疗方面的前景。
图1 柔性电化学传感器的四个基本功能单元及其进行无创检测所使用的生物流体种类
柔性电化学传感器的构成
尽管构成柔性电化学传感器的组件数量可能因具体应用而异，但其通常包括：基底单元、传感单元、决策单元和供能单元。其中，基底单元和供能单元分别为传感器提供柔性基材和电能；传感单元在采集和接触生物流体的过程中，负责将生物标志物浓度（例如葡萄糖、乳酸和尿酸的浓度）等生理信息转化为电极与生物流体界面间的电信号（例如电流或电势），进而传导至决策单元；决策单元通过信号处理与数据传输等手段将电信号最终转化为可直接读取的生物标志物浓度，从而实现对使用者所处运动状态或所患疾病病程的监测，进而为运动强度的调整或疾病的预防、诊断及康复护理提供参考依据。
（1）基底单元
基底单元是赋予电化学传感器以柔性和力学稳定性的重要部分。基底材料不仅需要具备在其上构筑传感器所必需的可加工性，还需要具备可穿戴设备所必需的一系列机械性能，例如柔性、可拉伸性和适宜的模量。根据材料的具体形态，作者将柔性电化学传感器的基底单元形态分为薄膜、织物和其他三类，并对其优缺点与发展趋势进行了系统阐述。
图2 不同类型的柔性电化学传感器的基底材料及其对应的可拉伸性与功能特点
（2）传感单元
传感单元是柔性电化学传感器的核心组分，其功能是对生物流体进行提取与采样，并基于适宜的电化学检测机理将目标分析物和识别材料之间的相互作用转换为电学信号。传感单元主要由提取与采样模块、电极和导线构成。
（3）决策单元
传感单元将生物标志物浓度的生理信息转换为电学信号，并通过导线传至决策单元。决策单元的核心是微控制单元（MUC），其通过信号转导、放大单元和模数转换器等元件将电信号转化为数字信号。根据应用的具体需求，还需对信号进行滤波、平滑和降噪等处理。基于前期校准传感器所建立的转化函数，数字信号被决策单元转化为生物标志物浓度，并最终通过蓝牙等无线传输模块传输至移动终端或上传至云端服务器。
（4）供能单元
传感单元和决策单元的正常运行离不开供能单元。传统的供能单元通常直接采用商用电池，其优势在于设计简单、性能稳定。但商用电池的模量远高于其他模块，难以实现系统的一体性和穿戴舒适性，并且商用电池不属于清洁能源，不符合低碳绿色的发展趋势。近年来，研究者们针对柔性智能穿戴的需求，设计发展了多种新型可穿戴供能单元。当前主流的供能方式可分为两类，一类是以化学电池和超级电容器为代表的提前储存能量并加以利用的方式，另一类是基于热电效应、压电效应、摩擦电效应、巨磁效应、光电效应和生物燃料电池（BFC）等的新型能量采集、转化和应用的方式。图3展示了代表性的基于化学电池、BFC、摩擦纳米发电机（TENG）、混合能量单元以及无线供能的柔性可穿戴电化学传感器及其性能。
图3 基于化学电池、生物燃料电池（BFC）、摩擦纳米发电机（TENG）、混合能量单元以及无线供能的柔性电化学传感器及其性能
柔性电化学传感器的工作原理
为了在生理相关范围内实现对生物标志物的精确检测，柔性电化学传感器需要具有低检测限和宽线性范围。同时，其需要在复杂和动态的化学环境中具有出色的稳定性和可靠性。针对不同性质的生物标志物，可采用基于不同机理的电化学传感器。根据传感机理的不同，柔性电化学传感器主要分为电位型传感器、伏安型传感器、安培型传感器。图4展示了上述几种传感器的工作机理及传感性能。
图4 柔性电化学传感器的工作机理、性能以及连续原位监测结果
柔性电化学传感器在生物流体无创检测领域的应用
近年来，针对柔性电化学传感器在生物流体无创检测方面的应用，已有众多研究见诸报道。汗液、间质液、泪液、唾液和呼吸气体因其易得性而被用作无创检测的主要对象，这些生物流体的医学价值在研究中也逐步被发掘。本文介绍了柔性电化学传感器在汗液、间质液、泪液、唾液和呼吸气体无创检测方面的研究进展。
图5 柔性电化学传感器在无创汗液检测中的应用：（a）用于实时和多路原位汗液分析的电化学传感贴片；（b）全激光加工而成的汗液收集及多模态分析系统；（c）用于监测汗液中酒精浓度的纹身状离子电渗生物传感系统；（d）用于监测代谢物和营养物质的可穿戴电化学生物传感器。
图6 柔性电化学传感器在无创间质液检测中的应用：（a）雅培FreeStyle Libre Flash针状葡萄糖传感器；（b）用于连续监测间质液中的多种生物标志物的可穿戴微针阵列；（c）反向电离子渗透疗法用于无创提取间质液的原理示意图；（d）用于监测间质液中葡萄糖浓度的纹身状传感贴片；（e）用于无创血糖监测的基于电化学通道的类皮肤生物传感器系统；（f）用于同时分析汗液和间质液的纹身状传感贴片；（g）同时监测血流动力学和代谢物的表皮贴片。
图7 柔性电化学传感器在无创泪液检测中的应用：（a）用于葡萄糖传感和眼压监测的智能传感隐形眼镜；（b）基于双金属纳米催化剂和纳米多孔水凝胶的用于连续葡萄糖监测的智能隐形眼镜；（c）用于无创检测酒精、葡萄糖和维生素的眼镜基泪液生物传感系统。
图8 柔性电化学传感器在无创唾液检测中的应用：（a）用于体内唾液葡萄糖测量的醋酸纤维材质的牙套型传感器；（b）用于检测唾液中葡萄糖含量的基于酞菁钴-碳纳米管还原氧化石墨烯的超灵敏传感材料；（c）用于细菌无线检测的牙齿贴片状电化学传感器。
图9 柔性电化学传感器在无创呼吸气体检测中的应用：（a）用于监测氨气和人体呼吸的基于聚苯胺/CNT纳米复合材料的口罩式传感器；（b）用于实时测量H₂O₂的纸基口罩式传感器；（c）基于金属-空气氧化还原反应的柔性电化学湿度传感器及其在呼吸监测中的应用。
展望未来，柔性电化学传感器在无创医学检测领域呈现出令人振奋的应用前景，有望在多种应用场景中发挥重要作用。例如，在运动监测方面，柔性电化学传感器能够持续追踪运动者的生理状态，为个性化的康复或训练计划提供准确的数据支持。在疾病诊断方面，通过监测生物流体中的特定生物标志物，传感器有望在早期筛查疾病方面发挥关键作用，例如利用汗液中电解质的水平诊断囊性纤维化疾病等。在饮食及营养监测方面，柔性电化学传感器可以非侵入性地追踪生物流体中的营养信息（例如葡萄糖和氨基酸等），为管理糖尿病、代谢综合征等慢性疾病提供实时的数据支持。在有效药物水平监测和药物滥用治理方面，传感器能够监测体液中药物浓度的实时数据，从而帮助优化药物治疗效果，并预防药物滥用现象。在慢性病的监测与管理方面，柔性电化学传感器也具有很大潜力，例如生物流体中C反应蛋白水平的监测，有望应用于感染、慢性阻塞性肺病或心力衰竭等慢性疾病的管理。此外，柔性电化学传感器还有望应用于抑郁症等心理疾病，通过监测皮质醇激素等心理压力生物标志物的浓度，该类传感器能够帮助评估个体的心理状态。
总之，随着科技发展，柔性电化学传感器在无创医学检测领域正在展示着越来越显著的潜力。相信在不远的将来，随着化学、材料科学、生命科学、电子学、医学和机器学习等学科的进一步发展和交融，柔性电化学传感器件及其智能系统将走入我们的日常生活，通过无创的方式连续、实时地提供分子水平上的生理状态信息，不仅有助于生命科学的进一步发展，而且可以服务于个性化健康管理与精准医疗，进一步提升人类的生活品质和生命质量。
论文信息：
DOI：10.6023/A23060289
