可穿戴光學傳感器是一項前景廣闊的技術，為監測人體汗液開辟了一條新途徑。隨著集成光學器件、光學材料和結構設計的進步，目前的光學皮膚界面主要采用四種分析方法將汗液中包含的化學信息轉化為光學信號，包括比色法、表面增強拉曼光譜（SERS）法、熒光法和電致化學發光（ECL）法。此外，為了提高便攜性，許多外部激光源設備和成像模塊都根據不同的光學方法進行了改進。

據麥姆斯咨詢報道，近期，來自深圳大學的研究人員在Communications Materials期刊上發表了題為“Epidermal wearable optical sensors for sweat monitoring”的綜述性論文，總結了光學汗液傳感器的最新進展，重點介紹了其原理、發展、優勢和局限性。最后，作者討論了可穿戴光學傳感器目前在材料、汗液采集、數據分析和外部集成電子器件方面面臨的挑戰和未來的發展前景。

圖1 用于個性化監測的可穿戴光學汗液傳感平臺示意圖

可穿戴光學汗液傳感器

汗液由皮膚真皮層的皮下汗腺和非皮下汗腺分泌，用于維持人體的熱平衡并排出代謝廢物。汗腺分泌的汗液含有豐富的生理信息，包括代謝物（葡萄糖、乳酸鹽、尿素等）、電解質（Na?、K?等）、營養物質（維生素C、Zn2?、Ca2?等）、激素（皮質醇、雌激素等）和蛋白質等。目前已開發出四種可穿戴光學汗液傳感器，包括比色傳感器、SERS傳感器、熒光傳感器和ECL傳感器，這些傳感器可以用于分析各種物質。

比色傳感器

比色傳感器因具有反應速度快、便攜、可以實現多通道分析等特點，在可穿戴汗液傳感器中備受關注。當與目標生物標志物相互作用時，色原分子的光子吸收會發生變化，從而導致其顏色發生改變。比色汗液傳感器主要通過化學變色機制工作。這些機制可分為以下幾類：氧化還原反應中的電子轉移會導致顏色變化（例如用于葡萄糖檢測時）；離子通過與絡合配體結合形成有色絡合物（例如用于氯離子檢測時）；在酸性或堿性條件下會產生鹵色（例如用于pH值檢測時）。目前，比色汗液傳感器在材料、結構設計和數據分析方面都已取得了重大的創新性進展。這些工作有效提高了比色傳感系統的傳感性能、汗液采樣效率、佩戴舒適度和數據準確性。

圖2 可穿戴比色汗液傳感器在材料、結構和數據分析方面的進展

表面增強拉曼光譜（SERS）傳感器

當入射光子與目標待測物分子發生碰撞時，大部分光子會發生彈性散射（瑞利散射），光子的頻率、波長和能量不會發生變化。但是，一小部分光子的頻率、波長和能量會發生變化，這就是所謂的非彈性散射。拉曼散射就是光子的非彈性散射現象。SERS是一種分子振動指紋光譜技術，具有超高靈敏度、無標記和高特異性等特點。基于局部表面等離子體共振（LSPR）效應，利用激光激發特定具有粗糙表面的金屬等離子體納米結構可使分析物的拉曼信號增強10?到10?倍。目前，SERS效應被廣泛應用于生化領域。然而，構造在剛性襯底上的SERS傳感器無法與彈性皮膚有效貼合。為了解決這一問題，近年來，研究人員對SERS襯底材料的靈敏度、均一性和穩定性進行了優化，實現了柔性和可拉伸的等離子體納米結構SERS襯底。與此同時，便攜式拉曼光譜儀也得到了開發，為現場監測和可穿戴SERS傳感器的應用提供了可能。此外，某些目標生物標志物在汗液中的含量很低，而SERS具有靈敏度高、可以實現痕量分析和免標記檢測等固有優勢，可以有效克服電化學和比色傳感器固有的局限性。

圖3 可穿戴SERS汗液傳感器在等離子體材料、平臺和分析物方面的進展

熒光傳感器

熒光是一種光致發光現象。熒光分子在激光照射下會吸收光子，使其能級升高，過渡到不穩定的激發態，并通過發射熒光釋放能量，回到穩定的基態（圖4a）。熒光傳感器已被應用于醫療診斷和生物成像，并在醫療保健領域取得了重大進展。熒光傳感器的具體傳感機制為，熒光團探針上標記有目標受體（蛋白質、核酸、化學受體等），當捕獲到目標分析物時，熒光團分子的光物理狀態會發生改變，從而導致熒光團分子發射的熒光信號發生變化。熒光分析方法具有靈敏度高、選擇性強和反應迅速等特性。隨著電荷耦合器件（CCD）和互補金屬氧化物半導體（CMOS）成像技術的發展，熒光傳感器已成為分析復雜汗液中目標分子的有效輔助方法。此外，研究人員一直致力于將熒光檢測集成到用于汗液管理的微平臺（例如微流控平臺、紙基傳感平臺和水凝膠基傳感平臺）中，并配備智能手機等便攜式設備和用于數據讀取的激光源，以實現即時檢測。

圖4 熒光可穿戴汗液傳感器

電致化學發光傳感器

電致化學發光（ECL）是一種電化學-光物理過程，在這一過程中，電極表面附近會發生電化學反應，產生激子并輻射出光。ECL機制包括湮滅機制和共反應機制。在湮滅機制中，發光體直接進行電子轉移，在電位控制下在陽極發生氧化或在陰極發生還原，從而產生激發態或基態的發光體。在共反應機制中，通過向電極施加電信號，反應系統內的物質會發生電解，從而轉變為氧化或還原中間體。隨后，中間體與氧化或還原的共反應物發生進一步反應，成為不穩定的激發態。一旦物質從激發態回到基態，就會發出光信號（圖5a）。基于ECL的檢測方法無需外部光源，并且具有超低背景噪聲、高靈敏度和可實現多維信號提取等顯著優勢，在可穿戴發光設備、光纖中的應用前景廣闊。

圖5 用于汗液傳感的電致發光皮膚接口

展望

總體而言，光學汗液傳感器為醫療保健建立了靈敏、經濟、無創的平臺，可以廣泛應用于各種營養物質、代謝物和電解質的檢測。目前，雖然比色汗液裝置已逐漸商業化，但其他類型的光學汗液傳感器仍處于實驗室階段。光學傳感應滿足靈敏度、特異性、準確性和再現性的要求。因此，需要開發更多用于光學傳感和增強信號的潛在探針。此外，汗液傳感貼片大多是一次性物品，因此，使用可生物降解的材料以及可回收的試劑是必要的，以減少廢棄組件對環境的影響。同時，考慮到穿戴舒適性和皮膚順應性，柔性和可拉伸材料的開發是至關重要的，以避免不適和潛在的傷害，特別是在長期穿戴時。

在汗水操控方面，結合吸收材料（紙、紡織品、水凝膠）和先進的汗水控制和反饋系統（微流控和超可濕界面），能夠解決光學傳感器中低時間分辨率、試劑回流污染和樣品蒸發等問題。此外，使用先進的微納制造技術，包括光刻、激光刻蝕、3D打印，卷對卷（R2R）和數字光處理（DLP）等可以制造出精確的泵和閥結構，從而可以實現傳感裝置的手指或自我驅動、自我反饋、定時和定量檢測。

最后，在數據讀取和分析方面，光學汗液傳感器需要與外部設備協同以進行數據讀取。除了標準比色卡和智能手機外，光學汗液傳感器通常還需要外部激光源（熒光）、便攜式拉曼光譜儀（SERS）和電子電路（電化學發光）的協同使用。此外，除了傳統的曲線擬合外，還需要機器學習和人工智能的結合來實現傳感數據的精確分析、校準和預測。未來的趨勢是將這些方法與大數據平臺相結合，最終實現個性化診斷和精準醫療。