综述：实时体表汗液检测：电化学原理、进展与前景

《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：Real-Time On-Body Sweat Sensing: Electrochemical Insights, Progress, and Prospects

　　赛拉曼·赛克里蒂卡（Sairaman Saikrithika）| 拉莱布·扎赫拉（Laraib Zahra）| K. 蒂亚加拉詹（K. Theyagarajan）| 金英俊（Young-Joon Kim） 韩国京畿道城南市13120，加贞大学（Gachon University）电子工程系 **摘要** 在各种生物流体中，人类汗液因能够通过非侵入性方式从皮肤表面轻易获取，并且含有丰富的代谢物、生物标志物和电活性物质而受到越来越多的关注，这些物质能够传递与人类健康相关的宝贵生理信息。基于电化学的汗液监测技术因其固有的灵敏度、低功耗、易于微型化以及与可穿戴平台的兼容性而特别适用。因此，结合纳米结构电极、微流控技术和柔性可穿戴平台的电化学汗液传感器已取得了显著进展。然而，许多报道系统的分析相关性仍然有限，因为传感器性能通常是通过使用人工汗液或收集的汗液来评估的，而这些条件无法捕捉到动态的非平衡状态。为了强调体表汗液传感的重要性，本文对直接在人体上工作并在天然汗液中实时进行测量的电化学汗液传感器进行了批判性分析。文中分析了针对压力和神经化学标志物、代谢物及小分子的代表性研究，特别关注了在生理出汗条件下的分析性能，而不仅仅是设备架构本身。在不同分析物类别中，发现了反复出现的挑战，包括依赖于汗液分泌速率的稀释和积累效应、pH值引起的信号调制、基质干扰、校准不稳定、电极-皮肤界面退化以及个体间的显著差异。通过整合这些共性问题，本文指出，可靠的汗液电化学分析从根本上受到动态生物基质中信号解释的限制，而不仅仅是检测灵敏度的限制。最终，本文概述了推动可穿戴汗液电化学技术向稳健、可靠且具有生理意义的应用方向发展的关键方向。 **引言** 人类汗液是由汗腺分泌的一种复杂生物流体，其中含有电解质、代谢物、与压力相关的化合物以及其他小分子。其成分反映了系统生理、腺体运输和皮肤表面相互作用之间的相互作用[1][2]。与血液或细胞间液不同，汗液是在局部且间歇性地产生的，其成分受到汗液分泌速率、采样位置、水分状态和环境条件的强烈影响。这些特性使得汗液在分析上具有独特性，因为测得的浓度并不直接对应于循环水平，而是编码了由分泌动态和表面传输过程塑造的生理信息[3][4]。尽管存在这些复杂性，汗液为非侵入性和连续监测提供了独特的机会，尤其是在体内实时获取的情况下。因此，有意义的汗液分析需要能够在动态、非平衡条件下运行的传感策略，而不是静态采样模式[5][6]。 电化学技术特别适合应对这些挑战，因为它们可以通过明确的电荷转移和氧化还原过程将化学活性实时转化为电信号[7][8][9]。电化学传感器因其高灵敏度、可扩展性和系统级简单性而被广泛采用，能够在无需大型组件的情况下实现定量检测。它们在环境条件下的运行、低功耗要求以及与微型化电子设备的兼容性，使得电化学传感器特别适合于连续和分布式监测[10][11][12]。此外，电化学平台通过表面功能化提供了广泛的适应性。可以通过离子选择性膜、酶、分子印迹聚合物（MIPs）以及新兴的功能材料（如纳米结构催化剂和导电复合材料）来设计选择性[13][14]。无论是基于电位变化、电流响应还是阻抗变化的快速信号生成机制，都支持高时间分辨率的实时分析。此外，电化学传感器可以使用可扩展且成本效益高的方法（如打印和薄膜加工）制造，便于集成到紧凑、便携和多路复用的传感系统中[15][16]。总的来说，这些特性使得电化学传感与需要连续运行、机械灵活性和最小能耗的可穿戴格式高度兼容[17]。 重要的是，汗液中的电化学响应受到局部物理化学条件（如pH值、离子强度和基质组成）的强烈影响，这些因素可以独立于分析物浓度改变信号输出。因此，汗液传感除了检测之外，还需要对测量信号进行仔细的解释[18]。近年来，集成到柔性基底、微流控贴片和贴合式可穿戴平台中的可穿戴汗液传感器发展迅速[19][20]。然而，仅靠可穿戴形式并不能确保生理相关性，因为许多报道的研究仍然依赖于人工汗液配方或在分析前从体外收集的汗液。这些方法无法捕捉到在体内实时操作过程中遇到的动态条件，包括汗液分泌速率的时间波动、pH值的演变、皮肤-传感器接触的变化以及持续暴露于复杂的生物基质中[21]。因此，基于人工或收集的汗液得出的性能指标往往高估了实际使用中的分析稳健性。这种差异源于体表电化学汗液传感在根本不同的分析环境中工作。在这些条件下，测得的信号反映了分析物浓度、汗液分泌动态、传输延迟、基质干扰和个体间差异的综合作用[22]。这些因素深刻影响了校准精度、选择性和信号稳定性，特别是在长时间佩戴或进行体力活动期间。因此，可穿戴汗液传感的主要挑战从分析物的可检测性转变为信号的可解释性。在实时条件下，电化学响应不仅受目标物质的存在影响，还受到皮肤-传感器界面处不断变化的物理化学和传输过程的影响[23]。汗液分泌速率、局部pH值、离子强度和蒸发的变化可能会进一步引起信号漂移、瞬态偏移或表观浓度变化，这些变化与潜在的生理趋势脱钩。因此，在受控实验室条件下获得的传统性能指标（如灵敏度或检测限）无法完全反映传感器在连续监测中的行为[24]。因此，对汗液电化学数据的有意义解释需要分析框架，这些框架明确考虑了上下文动态和界面演变，而不仅仅是将汗液视为静态电解质或假设其与系统生物标志物水平直接对应。 **实时体表汗液传感**代表了从静态生化测量向连续、系统级的人类生理监测的转变。在这种范式中，汗液不再被视为被动的生物流体，而是作为时间分辨化学信息的动态载体。这些信息由分泌（包括主动和被动汗液）、传输以及皮肤表面的相互作用共同塑造[25][26]。电化学传感器通常与微流控架构或吸收性采样层集成，并直接放置在皮肤界面，通过将汗液中的瞬态分子事件转化为电信号，在此过程中发挥核心作用，这些信号可以实时处理和解释。