傳統(tǒng)的可穿戴技術及其商業(yè)化產(chǎn)品使用光電檢測的方法，側重于對物理指標的測量，如心率、體溫、運動跟蹤、生物電信號和步數(shù)等。以此為代表，國外的商業(yè)化產(chǎn)品有 iWatch 手表、Fitbit手環(huán)、Google Glass 眼鏡等可穿戴產(chǎn)品，國內也有以小米手環(huán)等為代表的一系列手環(huán)和手表類產(chǎn)品。然而，這些側重于物理指標檢測的傳統(tǒng)可穿戴技術還不能滿足人類健康監(jiān)測的另外一個重要信息來源，即體液的監(jiān)測。這里所指的體液包括血液、汗液、組織液、唾液、淚液、尿液等。現(xiàn)有醫(yī)療手段在體液檢測方面還集中在使用專用設備對與血液和尿液進行成分分析，如原子吸收光譜儀、離子色譜儀、氣相色譜儀等。這些檢測手段成本相對較高，而且只能做“一次性( One shot) ”的檢測，很難實現(xiàn)在一段時間內對個體進行連續(xù)性檢測。

20世紀90年代初發(fā)展起來的微流控技術的研究對象主要是在微米和納米尺度上的液體輸運規(guī)律和操縱手段。近年來，隨著該技術的不斷發(fā)展，微流控技術被廣泛應用在生命科學和醫(yī)學研究中，并取得了顯著成果。微流控技術在生命科學和醫(yī)學領域的技術積累和廣泛應用給可穿戴技術帶來了新的發(fā)展方向：可穿戴式微流控芯片。作為可穿戴技術與微流控技術的有機結合，可穿戴式微流控芯片通過與人體皮膚表面直接接觸，自主完成體液的采集、分析、數(shù)據(jù)傳遞的整個過程，通過采集并分析人體表面的汗液、淚液、唾液、組織液等，實現(xiàn)血糖、乳酸鹽、鈉鉀離子、鈣離子、汗液 pH 值等指標的實時監(jiān)測，為生命體征的監(jiān)測提供重要的參考數(shù)據(jù)。對于血糖和血乳酸鹽等通常需要通過采血進行檢測的指標，可穿戴式微流控芯片還可以實現(xiàn)極少侵入( Minimally invasive) 和非侵入( Noninvasive) 的檢測，即不通過穿刺采血，極大降低了病人的痛苦。

目前，可穿戴式微流控芯片還處在發(fā)展的初級階段，絕大多數(shù)還停留在實驗室研究中，在成為商業(yè)化產(chǎn)品前還有諸如標定、生物兼容性材料、生物安全、大數(shù)據(jù)整合分析等難題亟待解決。本文針對目前可穿戴式微流控芯片領域的最新研究成果，根據(jù)體液檢測的目標物進行分類介紹和總結，并探討各類檢測方法的優(yōu)勢和劣勢。

一、可穿戴式微流控芯片在生命監(jiān)測領域中的應用

1.血糖和乳酸檢測

人體內的各組織細胞活動所需要的能量大部分來源于血糖中的葡萄糖，為了維持體內各器官的和組織的需要，必須將血糖保持在一定水平。乳酸是糖酵解的終產(chǎn)物，對于運動負荷的控制、高血壓糖尿病患者的監(jiān)護、糖源性疾病檢測等方面具有重要的參考意義。

目前，最通用的血糖檢測方法是采用全自動生化分析儀或小型化的快速血糖儀，而乳酸檢測也需要專用的乳酸檢測儀。血糖和血乳酸鹽的檢測方法還多停留在使用侵入性( Invasive) 檢測方法的階段，即需要從人體穿刺采全血或指尖采血。以目前最為廣泛使用的小型血糖儀為例，針尖穿刺指尖采血，血液涂抹在試紙后，通過儀器讀取血糖含量，使用過程不僅操作步驟多、病人有痛苦、試紙成本高，且儀器需頻繁校準，最重要的是，其穿刺采血的方式不可能做到對血糖含量的實時監(jiān)測(不可能頻繁穿刺采血)。而現(xiàn)有的可以實現(xiàn)血糖實時檢測和胰島素注射的可穿戴式動態(tài)胰島素泵系統(tǒng)的體積較大、不方便佩帶，且售價高昂(以 MiniMed Paradigm 722 設備為例，售價約9萬元) 。相比之下，可穿戴式微流控芯片給血糖檢測提供了極少侵入和非侵入的檢測方法：極少侵入方法指通過微針陣列對皮膚進行穿刺采血，由于微針的長度觸及不到內皮神經(jīng)層，因而被測者幾乎感覺不到疼痛；非侵入方法目前集中于通過對組織液中葡萄糖濃度的分析間接反映血糖的濃度。值得注意的是，汗液中的葡萄糖含量與血糖濃度也是直接相關的，且汗液的采集更為方便。可以預見，通過檢測汗液中葡萄糖含量來估測血糖濃度也必將是未來可穿戴式微流控芯片的發(fā)展方向之一。

Gowers 等開發(fā)了一套基于3D打印微流控芯片的可穿戴式檢測系統(tǒng)，可以對血糖和乳酸進行實時在線( Online) 檢測。其采用了一種極少侵入的方法，使用了一根美國食品及藥物管理局( FDA) 批準的微透析探針對皮膚輕度穿刺，結合微流控芯片對血糖和乳酸含量進行提取和檢測。圖 1A 展示了微透析探針和微流控芯片的結合方法，圖 1B 和圖 1C 展示了這套監(jiān)測系統(tǒng)在一個騎車受試者身上的佩戴方法，及其血糖、乳酸伴隨運動時間的變化情況。

Yu 等采用一種非侵入性的微流控芯片采集皮下組織液，使用石墨烯對相應的電化學傳感器進行修飾，開發(fā)出了一套基于微流控系統(tǒng)的可穿戴式非侵入性血糖實時檢測系統(tǒng)。Baysal 等使用可穿戴式紙基微流控芯片對汗液中的乳酸進行檢測，使用 SU-8 負性光刻膠在紙基底板上加工形成了親疏水壁壘，構成了微流道，采用乳酸氧化酶引發(fā)顯色反應，對乳酸含量進行標定。在用于檢測血糖等的石墨烯傳感器的研究中， Lee 等采用了氣相化學沉積(CVD) 的方法，將摻雜了金的石墨烯層沉積在了金質的網(wǎng)狀結構上，同時實現(xiàn)了高導電性、高機械強度以及光學透明。Imani 等采用成本較低的絲網(wǎng)印刷方法，將物理-化學混合傳感器加工在了50 μm厚的聚酯薄膜上，實現(xiàn)了對乳酸和心電的同時檢測。

圖 1 檢測血糖和乳酸的可穿戴式微流控芯片檢測系統(tǒng)； (A) 檢測血糖和乳酸濃度的 3D 打印微流控系統(tǒng)； (B) 通過微透析探針測量受試者的血糖和乳酸變化情況； (C) 監(jiān)測運動過程中受試者的血糖和乳酸的變化

2.pH值檢測

排汗在維持體內環(huán)境的穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用，排汗還能輔助和部分替代腎臟的功能，參與新陳代謝。汗液中攜帶豐富的信息，對汗液進行實時檢測和分析對掌握生命體征的變化有重要意義。汗液的pH 值直接反映了皮膚的pH值，研究表明，皮膚pH 值的變化與許多皮膚疾病的發(fā)生有著密切的關系，如過敏性皮炎、痤瘡等。同時，汗液 pH 值還間接的反映了出汗的量和速度，汗液 pH 值會隨著出汗量的增大而升高。汗液 pH 值還會隨汗液中 Na+濃度的升高而上升，而 Na+濃度則反映了出汗者的脫水程度，通過對汗液 pH 值的測量，也可以間接掌握出汗者的脫水程度，在運動科學、軍事等領域有著重要意義。

傳統(tǒng)的汗液 pH 值檢測，需要受試者大量運動排汗后，對體表汗液進行采樣，然后使用化學試劑或顯色試紙測得 pH 值，這種方法不僅對出汗量有一定要求，檢測速度慢，且難以實現(xiàn)實時采樣連續(xù)檢測。而利用可穿戴式的微流控芯片檢測系統(tǒng)，則可對汗液的 pH 值進行實時連續(xù)采樣監(jiān)測，且樣品和檢測試劑消耗量極低。Curto 等采用一種簡單易用的可穿戴式微流控芯片檢測汗液的 pH 值，通過離子聚合物凝膠在不同 pH 值環(huán)境下的顯色作用判斷汗液 pH 值。其使用的檢測方法與通過光電傳感器進行 pH 值顯色判別的方法相比，成本更加低廉，且無需耗電。圖 2A 展示了該微流控芯片的構造，由一塊汗液吸收棉、負責汗液傳導的微流道及用于顯色的離子聚合物凝膠構成。圖2B展示了芯片的加工過程，多層的PMMA( 聚甲基丙烯酸甲酯) 基片、離子聚合物凝膠及壓力敏感膠( Pressure-sensitive adhesive， TPA) 通過二氧化碳激光器加工后，由壓力敏感膠粘接完成芯片鍵合。圖 2C 展示了該芯片通過腕帶固定在手腕上的效果，在運動過程中，通過觀察離子聚合物凝膠的顏色變化就能獲知汗液pH值的變化，pH值的檢測范圍為4.5～8.0，能夠完全覆蓋不同狀態(tài)下人體汗液的 pH 值變化范圍。在這項研究的基礎上，Curto等又添加了微型的光電傳感器，芯片和傳感器可同時穿戴在身上，通過對顯色反應的光電識別自動讀取 pH 值并進行無線數(shù)據(jù)傳輸。

圖 2 可穿戴式汗液pH值檢測微流控系統(tǒng)。(A) 微流控檢測芯片的圖片(B) 微流控芯片的加工過程 (C) 微流控芯片與腕帶結合

Nie 等將紙基微流控芯片與在硅片上加工的檢測電路相結合，制作成了可穿戴的柔性微流控檢測芯片，并對該柔芯片在汗液 pH 值檢測方面的應用進行了系列研究。Coyle 等也使用了光電傳感器對不同 pH 值下離子聚合物凝膠的顯色反應進行自動讀取，并基于此原理研發(fā)了可穿戴式微流控系統(tǒng)。與之類似，Caldara 等使用了有機改性硅酸鹽( ORMOSIL) 作為 pH 值的顯色指示劑，并以此開發(fā)出了可穿戴式的汗液微流控檢測系統(tǒng)。如圖 3 所示，Tsioris 等則創(chuàng)新性地使用了經(jīng)過改性的蠶絲( CO2H azo-silk) 作為不同 pH 值顯色的載體，并將其埋在 PDMS(聚二甲基硅氧烷) 材質的微流控芯片中，通過配套的光流控檢測器制成了可穿戴式的汗液 pH 值檢測芯片。在可穿戴式檢測芯片的能量供給方面，Saravanakumar 等開創(chuàng)性地將基于納米線和壓電聚合物材料的納米發(fā)電機和 pH 值傳感器結合在了一塊芯片上，做到了芯片的自我供電，值得注意的是，該納米發(fā)電機的發(fā)電量非常低( 6.62 μW) ，對于芯片的能耗控制有著極高的要求。

圖 3 基于 PDMS 材質的可穿戴式的汗液 pH 檢測芯片。(A) 微流控傳感器的示意圖，包括加工在 PDMS 上的通道!經(jīng)過改性的蠶絲以及通道的出入口；(B) 光流控檢測傳感器檢測原理

目前，可穿戴式微流控芯片對汗液 pH 值的檢測方法還存在檢測方法比較單一的問題，絕大多數(shù)研究都基于汗液與顯色指示劑發(fā)生反應，然后通過肉眼或光電檢測讀取 pH 值的方法。由于前述幾項研究中 pH 值顯色指示劑的反應具有不可逆性，且汗液進入芯片后不能排出，導致了這些 pH 值檢測芯片都只能一次性使用。未來的研究中可以考慮使用經(jīng)過碳納米管以及石墨烯修飾的電化學傳感器替代離子聚合物凝膠或有機改性硅酸鹽，增加芯片的使用壽命。

3.Na+、K+、Ca2+等離子檢測

汗液中的Na+、K+的濃度可以直接反映出人皮膚的水合作用程度，通過監(jiān)測 Na+的濃度可以獲知在極端環(huán)境(如高溫高濕) 中工作的人員，例如運動員、煤礦工人、士兵的電解質流失和脫水情況。在高溫高濕的環(huán)境中，排汗是人體散熱的最主要方式，然而隨著汗液的排出也造成了電解質的流失，如果人體不能有效適應環(huán)境，Na+隨汗液的排出量過多(＞40 mmol/L)，會造成肌肉痙攣，甚至熱射病等嚴重后果，所以對體液中 Na+，K+的實時檢測對于極端環(huán)境中工作的人員非常重要。另一方面，汗液中的 Na+濃度異常也可是一些疾病的特征，如囊性纖維化病等。與 Na+類似，Ca2+在血液凝固、神經(jīng)肌肉的傳導等過程中也有非常重要的作用，同時，Ca也占到了人體總重的1%～2%。研究表明，體液中的 Ca2+濃度異常也與骨髓瘤、肝硬化、腎衰竭等疾病有著重要聯(lián)系。值得一提的是，在體液檢測中，Ca2+濃度受相應體液 pH 值的影響很大，檢測時需要同時檢測相應的 pH 值。

Matzeu 等使用絲網(wǎng)印刷的方法將兩個電極(固態(tài)離子選擇電極和對照電極)印刷在聚對苯二甲酸乙二醇酯( PET) 基板上(圖 4A)，并將此基板與由激光加工的多層 PMMA 板及壓力敏感膠疊壓鍵合(圖4B)，制作成了共7 層的微流控汗液采集芯片。研究者將該檢測系統(tǒng)佩戴在人上臂(圖4C)，并標定了使用不同電極材料時采集的電壓大小與相應的體液Na+濃度的關系，最后，Na+濃度信息通過無線通信模塊完成輸出。與之類似，Bandodkar 等將用于檢測 Na+的可穿戴式微流控芯片做成了紋身 ( Tatooo) 樣式，將其貼在皮膚上，即可完成對汗液中 Na+的檢測，并將檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過藍牙傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)。從目前的可穿戴式微流控芯片的發(fā)展方向看，將檢測芯片做成紋身等更為美觀和方便佩戴的樣式也是未來的發(fā)展方向。

圖 4 基于多層聚合物材料的可穿戴式微流控汗液 Na+檢測系統(tǒng)。(A) 在聚對苯二甲酸乙二醇酯基板 上通過絲網(wǎng)印刷的兩個電極；(B) 構成微流控體液采集系統(tǒng)的各層結構；(C) 可穿戴式微流控芯片固定 在人的上臂

Guinovart 等利用了棉線的疏松微結構，將其浸沒在碳納米管墨水(CNT) 后，棉線有了導電性質，然后將棉線尖端包裹不同種類的離子選擇性滲透膜( Ion-selective membrane) ，可以實現(xiàn)對不同的離子的檢測，并以此為基礎制成了簡易有效的微流控離子濃度檢測裝置，其對 K+的檢出限為10μmol/L。目前，利用汗液和組織液檢測 Ca2+的報道還很少， Nyein 等通過離子選擇電極(Ion-selective electrodes) 的方法對汗液中 Ca2+和 pH 值進行了同步檢測，Ca2+中性載體層(ETH 129) 和離子選擇性傳感器層 (PEDOT: TPS) 通過物理和電化學的方法沉積到 PET 材質的基底上，檢測芯片與一塊柔性印刷電路板 (FPCB) 相連，柔性印刷電路板負責檢測信號的放大、濾波與無線傳輸，該芯片對于 Ca2+的檢測精度可以達到 33.7 mV/dec。在 Na+、K+、Ca2+的檢測方面，可穿戴技術與微流控芯片的結合主要體現(xiàn)在使用微流控芯片采集和傳輸體液，之后使用選擇性滲透膜或者選擇性電極的方法對相應的離子濃度進行檢測。需要注意的是，這些檢測芯片的成本較低廉，但受到檢測方法和檢測物無法排出的限制，都僅限于一次性使用。

可穿戴式微流控芯片為體液檢測提供了一個綜合性的體液采集、傳感、分析控制以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。如前所述，微流控芯片的加工技術源自于微機電系統(tǒng)( MEMS) 的加工技術，通過 MEMS 技術的積累和實踐，在微流控芯片的加工過程中可以實現(xiàn)將金屬電極、傳感器、柔性印刷電路板等電氣元件與微通道、微閥等液體控制元件同時進行加工與封裝，系統(tǒng)在具有高可靠性的同時也極大降低了成本。

4.總結與展望

可穿戴式微流控芯片的研究橫跨了多個學科領域，包括電子學、材料科學、生物學以及分析化學，這些學科的每一步發(fā)展都可能會對可穿戴式微流控芯片的進步產(chǎn)生積極作用。盡管經(jīng)過了十余年的發(fā)展，可穿戴式微流控芯片還處在初級的發(fā)展階段，距離大規(guī)模的商業(yè)化應用還有很長距離。未來可穿戴微流控芯片的發(fā)展可能從以下幾個方面取得突破：

(1) 檢測的長期性和持久性 目前的各類可穿戴微流控芯片對汗液、唾液等的檢測絕大部分都是一次性使用的，有效監(jiān)測時間從幾十分鐘到幾小時不等。這是因為微流控芯片采集體液檢測后無法排出，檢測樣品堆積，導致檢測芯片無法循環(huán)使用。未來的研究中可以探究各類體液采集后的排出機制，甚至微流控芯片可以配備自我沖洗結構，以利于長期使用。

(2) 佩戴的舒適性 現(xiàn)有研究中，可穿戴液滴微流控芯片的佩戴還很不舒適，主要原因是操作中將體液采集、分析、傳輸及電源等做成了多個模塊，模塊之間用管道和導線相連，佩戴不便。最近興起的“紋身”形式的可穿戴微流控芯片給了我們新的啟示，可以將體液收集、檢測、無線傳輸盡量整合在一塊面積較小的柔性微流控芯片上，與皮膚貼合后舒適度會大大增加。同時，從佩戴舒適性的角度考慮，對電源的選擇也應盡量小型化，甚至可以利用 MEMS 系統(tǒng)中的能量回收( Energy harvesting) 的概念，利用生活中人體自身運動產(chǎn)生的能量進行供電。

(3) 檢測手段的多樣性 目前由于檢測皮膚 pH 值、鉀/鈉離子等的可穿戴微流控芯片使用的還是基于選擇性離子電極或選擇性離子薄膜的電化學檢測方法，使用中有著需要頻繁校準和信號漂移的問題。預計未來會有越來越多的研究者將運用碳納米管和石墨烯等技術改進這兩種電化學檢測方法。還可以預見，伴隨著生物傳感器的發(fā)展，生物傳感器未來必將被使用在可穿戴微流控芯片中。

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DOI: 10. 11895 / j. issn. 0253-3820. 160623 作者：范一強 高 峰 王 玫 莊 儉 唐 剛* 張亞軍

（文章節(jié)選自：分析化學 (FENXI HUAXUE) 評述與進展 科學網(wǎng)科學網(wǎng)轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯(lián)系刪除）