用于监测汗液葡萄糖的可穿戴设备：高效电化学传感器的集成策略
2025-06-01 10:12:00 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这篇综述深入分析了电化学传感器在汗液葡萄糖提取和监测领域的最新进展，详细讨论了汗腺的精细结构、汗液产生的原理和有效的收集方法。
近年来，汗液作为一种生物流体，已成为血液分析物浓度的可靠替代指标，借助可穿戴设备，体外生化监测发生了革命性的变化，实现了微创甚至无创测量。连续血糖监测系统等重大技术突破已经变得司空见惯，结合汗液刺激技术的设备能够实现连续血糖跟踪。未来，连续传感技术，特别是新型电化学传感机制，将成为研究的重点。
据麦姆斯咨询报道，近日，中山大学附属第一医院广西医院的研究团队在Sensors and Actuators Reports期刊上发表了题为“Wearable devices for monitoring sweat glucose: an integrated strategy for efficient electrochemical sensors”的综述文章。文章综述了用于汗液葡萄糖监测的电化学传感器的研究进展，包括传感机理、汗液产生和监测传感器。首先，介绍了电化学传感器的原理、分类、应用及其在生物体液监测中的作用。然后综述了汗腺的结构、汗液产生机理、采集方法和检测难点，分析了常用检测方法的优缺点。讨论了安培生物传感器、光电化学生物传感器、有机电化学晶体管（OECT）生物传感器和电致发光生物传感器在汗液葡萄糖检测中的应用，指出了各种传感器的优点和挑战，例如安培/伏安型响应快但抗干扰性有待加强；光电化学型不需要外部电压但面临光干扰；OECT型功耗低、集成度高但选择性有待提高；电致发光型灵敏度高，但器件复杂。展望未来，随着材料、纳米技术和生物技术的发展，传感器的性能将得到改善，为汗液葡萄糖检测提供更好的解决方案，并辅助临床应用。
电化学传感器
电化学是一门研究电能和化学能之间相互转换和伴随现象的学科，其核心是还原氧化（REDOX）反应。在电化学系统中，电荷通过电子（在电极中）和离子（在电解质中）的转移完成能量转换。
电化学传感器因其灵敏度高、准确性好、选择性强、体积小、成本低等优点，在临床检测中得到了广泛的应用。电化学传感器可以准确地检测极低浓度的生物分子，例如疾病生物标志物、药物浓度等，为疾病的早期诊断、疗效监测和药物浓度检测提供了强有力的支持。同时，电化学传感器还具有良好的重复性和稳定性，可以保证检测结果的可靠性。此外，它们的小尺寸和轻重量使电化学传感器成为便携式和可穿戴医疗设备的理想选择，为持续健康监测提供了新的可能性。
（A）两电极系统和（B）三电极系统的电化学传感示意图
汗液生理学
汗腺（SwG）来源于胚胎外胚层，呈卷曲管状，汗腺结构中的干细胞在皮肤生长过程中积极参与再生和修复。汗腺在调节身体功能方面起着至关重要的作用，可以释放汗液和有毒物质，以维持身体的液体平衡和电解质稳态。最终的汗液是一种含有各种电解质（例如Na⁺、K⁺、H⁺、Ca²⁺等）和代谢分子（例如葡萄糖、乳酸等）的复杂溶液。这些分析物不仅可以维持人体功能，而且它们的比例还可以提供有关人体健康的诊断信息。
汗腺和汗液的特征
在糖尿病人群中，基于汗液的血糖监测作为一种无创方法引起了广泛关注。葡萄糖等大极性分子的跨膜渗透性较差，传统方法难以应用于汗液分泌。汗液葡萄糖监测技术采用无创、连续的检测方法，借助基于电化学传感器的柔性可穿戴设备，可以实时跟踪汗液葡萄糖浓度（与血糖高度相关），消除频繁的指尖采血，减轻疼痛、感染风险和操作负担。该技术提高了患者的依从性和生活质量，通过精确的反馈优化了胰岛素注射或饮食调整，为个性化糖尿病管理和并发症预防提供了新的解决方案，是智能健康监测的重要突破。
用于检测汗液中葡萄糖的传感装置示意图
用于汗液葡萄糖监测的电化学生物传感器
安培和伏安生物传感器基于电化学原理，用于检测和量化样品中的特定分析物。目前，酶化学发光（CL）生物传感器结合了酶特异性和化学发光敏感性，成为有效的分析工具。
光电化学生物传感器是基于光电化学原理，通过测量生物分子氧化产生的光电流来检测生物分子的传感器。在光和外电势的作用下，传感器中的光敏材料可以吸收光能并将其转化为电能，从而产生光电流。当生物分子与光活性材料接触时，生物分子的氧化反应会导致光电流的变化，通过测量这种变化可以实现对生物分子的检测。
OECT生物传感器的工作原理基于OECT的传感机制。OECT是一种三端器件，由源电极、漏电极和栅电极以及一层作为导电通道的有机半导体材料层组成。当目标生物分子与生物识别元件结合时，栅电极的电化学性质将发生变化，OECT的电流输出将受到影响，从而实现目标生物分子的检测。动态血糖监测在降低糖尿病和其它代谢性疾病的风险方面起着至关重要的作用。鉴于其优异的信号放大性能和生物相容性，基于OECT的可穿戴生物传感器得到了显著发展。纤维OECT传感器因其卓越的透气性和与纺织品的高度整合，有望成为日常医疗监测的理想选择。
基于OECT生物传感器的汗液葡萄糖检测
电化学发光（ECL）是在化学发光和电化学的基础上发展起来的一种分析方法。通过向电极施加一定的电压来进行电化学反应，反应释放的能量用于激发发光体。当发光体从激发态返回到基态时，产生光发射，并且可以根据光发射强度对被测对象进行分析。ECL生物传感技术是利用由生物分子识别单元（例如酶、抗体或DNA）与信号转换元件耦合而成的分析装置，通过ECL现象对生物分子进行高灵敏度检测。
基于ECL生物传感器的汗液葡萄糖检测
这些生物传感器在检测汗液葡萄糖方面各有优势。安培和伏安生物传感器因其快速响应、高灵敏度和良好的稳定性而受到青睐，但易受干扰的问题仍有待解决。光电化学生物传感器不需要外加电压，但在实际应用中可能会受到光干扰和光敏元件稳定性的影响。OECT生物传感器功耗低，易于集成，但在复杂环境中的选择性挑战不容忽视。ECL生物传感器因其高灵敏度和宽检测范围而脱颖而出，尽管设备相对复杂，但它们具有巨大的潜力。未来，随着材料科学、纳米技术和生物技术的不断进步，这些传感器的性能有望进一步提高，为汗液葡萄糖检测提供更准确、方便、可靠的解决方案。
总而言之，目前，汗液葡萄糖检测领域的挑战在于准确测量低浓度葡萄糖的技术难度，以及如何克服复杂的干扰因素，例如局部代谢差异、皮肤渗透和环境光的变化。为了应对这些挑战，研究人员正在努力开发更敏感的生物传感器材料，例如纳米酶和新型电化学发光标记物，以提高检测精度。同时，采用先进的信号处理算法和校准策略，减少干扰因素的影响，保证检测结果的准确性。此外，推进检测设备的小型化和集成化，以及探索低成本制造工艺，也是实现汗液葡萄糖检测普及化和便捷化的关键解决方案。
这篇综述深入分析了电化学传感器在汗液葡萄糖提取和监测领域的最新进展，详细讨论了汗腺的精细结构、汗液产生的原理和有效的收集方法。研究人员综述了全面回顾了安培和伏安生物传感器、光电化学生物传感器、OECT生物传感器、ECL生物传感器技术在汗液葡萄糖检测中的实际应用，并深入分析了其独特的优势和挑战。研究人员希望这篇综述将为电化学传感器在汗液葡萄糖检测领域的研究提供坚实的基础，并促进其未来的临床实践和应用。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.snr.2025.100339
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