可穿戴自供电生物传感器，用于持续监测汗液中的乳酸水平

《ChemElectroChem》：Wearable Self-Powered Biosensor for Continuous Lactate Monitoring in Sweat

汗液乳酸自供电生物传感器开发及在运动医学中的应用。采用graft polymerization增强电极稳定性，结合chitosan–genipin膜实现高效乳酸氧化酶固定化。器件在100mM乳酸下达到0.75V开路电压和0.163mW/cm2功率密度，并通过电压放大电路与蓝牙模块集成。人体实验表明汗液乳酸浓度与血液乳酸浓度高度相关（R2=0.92），验证了连续监测的可行性。传感器具有柔性可穿戴特性，适用于运动医学健康监测。

　　在当今社会，随着人口老龄化的加剧，提升健康寿命已成为全球关注的重要议题。与此同时，物联网技术的快速发展也推动了可穿戴健康监测和生物特征数据采集技术的革新。这些技术的应用不仅有助于个体在日常活动中实现健康数据的持续监测，还能够实现数据的自动化分析与医生之间的信息共享，从而提升疾病管理效率，降低因健康问题引发的过早死亡风险。因此，开发一种能够在无外部电源支持下，持续监测人体代谢产物的可穿戴传感器，具有重要的现实意义和应用前景。

乳酸是人体在高强度运动或生理压力下产生的一种关键代谢产物，其浓度在运动生理学和医学领域中具有重要的参考价值。乳酸水平的变化能够反映身体的能量代谢状态，是评估运动强度、疲劳程度以及某些疾病如糖尿病、心肌疾病等的重要指标。然而，传统的乳酸监测手段通常依赖于血液检测，这不仅具有侵入性，而且难以实现连续监测。因此，研究者们致力于开发一种非侵入性的乳酸监测方法，特别是在汗液中进行检测。汗液作为一种易于获取的体液，其成分与血液成分具有一定的相关性，因此，基于汗液的乳酸监测技术逐渐成为研究热点。

近年来，生物燃料电池（BFC）因其能够将生物燃料中的化学能转化为电能的特性，被广泛应用于可穿戴设备的自供电系统中。BFC作为一种生物能源装置，具有良好的生物相容性和安全性，能够在人体的温度和压力条件下稳定运行。此外，BFC还可以作为自供电传感器的一部分，利用其输出功率与生物燃料浓度之间的关系，实现对代谢产物的动态监测。这种技术的优势在于无需外部电源，能够实现长时间、无干扰的监测，尤其适用于运动训练和健康护理等场景。

本研究提出了一种基于纸基生物燃料电池的自供电乳酸传感器，其核心在于对电极材料的优化设计以及对生物酶和介体的固定方法。为了提高传感器的稳定性和性能，研究人员采用了多种技术手段。首先，他们使用了具有高比表面积的电极材料，例如通过电子束照射在碳材料表面引入自由基，进而实现聚合物的接枝。这种接枝方法能够增强酶与电极之间的结合力，从而减少酶的流失，提高传感器的使用寿命。其次，为了进一步增强电极的稳定性，研究人员引入了一种聚乙二醇二缩水甘油醚（PEG-DGE）作为交联剂，用于固定乳酸氧化酶（LOx）和介体。交联剂的使用不仅提高了酶与电极之间的结合强度，还改善了电极的机械性能，使其在长时间使用中不易发生结构变化。此外，为了防止游离酶和介体的泄漏，研究团队还在电极表面覆盖了一层壳聚糖-京尼平膜，该膜能够有效捕获游离物质，从而维持电极的稳定性和灵敏度。

在传感器的构建过程中，研究团队将多个生物电极并联连接，以提高整体的输出功率。这种设计使得即使在低浓度乳酸的环境下，传感器也能够产生足够的电能来驱动后续的信号处理和数据传输模块。为了实现信号的无线传输，传感器集成了电压提升电路和蓝牙发射器。当传感器检测到乳酸浓度变化时，其输出的电能会通过电压提升电路进行放大，并由蓝牙发射器将数据发送至附近的智能手机或其他设备。这种自供电模式不仅减少了对传统电池的依赖，还避免了电池对皮肤的刺激和潜在的安全隐患。

在实验部分，研究团队首先对生物电极进行了详细的性能评估。他们通过循环伏安法（CV）和恒电流法（CA）分析了电极的稳定性。实验结果显示，使用壳聚糖-京尼平膜和PEG-DGE交联剂的电极在多次循环后仍能保持较高的电流响应，表明其具有良好的稳定性。此外，研究人员还对不同pH值条件下的传感器响应进行了测试。乳酸氧化酶的活性通常在中性或弱碱性环境中最佳，而生物阴极（如双氧水酶，BOD）则在酸性条件下表现更佳。因此，在不同pH值下，传感器的响应可能会受到电极类型的影响。为了提高整体的监测精度，研究团队采用了一种基于pH值的校准方法，即根据实际测得的汗液pH值选择最合适的校准曲线，从而将传感器的输出信号准确转换为乳酸浓度。

在实际应用测试中，研究团队将该自供电乳酸传感器应用于运动状态下的个体。他们选择上背部和肩部作为传感器的贴附部位，因为这些区域在运动过程中汗液分泌较为旺盛。在测试过程中，传感器能够实时监测汗液乳酸浓度，并通过蓝牙将数据传输至智能手机。为了确保数据的准确性，研究团队在每次测试前对汗液的pH值进行了测量，并根据测得的pH值对传感器的输出信号进行校正。测试结果表明，汗液中的乳酸浓度与血液中的乳酸浓度存在一定的相关性，这进一步验证了该传感器在运动监测中的有效性。

在实验过程中，研究团队还发现，传感器的信号响应时间存在一定的延迟，这主要是由于汗液的积累过程需要一定时间。因此，在实际应用中，需要确保传感器能够充分接触到汗液，以避免因信号不足而导致的监测误差。此外，汗液的pH值在运动过程中会发生变化，这可能会影响传感器的响应特性。因此，为了提高监测的准确性，研究人员采用了基于pH值的校准方法，使得传感器能够在不同pH条件下提供可靠的乳酸浓度数据。

研究团队还对传感器的性能进行了详细分析。他们发现，传感器的输出信号与乳酸浓度之间存在良好的线性关系，且在不同pH值下表现出不同的响应特征。这种特性使得传感器能够根据实际环境条件进行动态调整，从而提高监测的灵活性和适用性。此外，研究团队还评估了传感器的长期稳定性，发现其在连续使用超过1小时20分钟后仍能保持较高的响应能力，这表明该传感器在实际应用中具有良好的耐用性和可靠性。

该研究的成功不仅在于开发了一种新型的自供电乳酸传感器，还在于其在实际应用场景中的可行性。传感器采用纸基材料作为基底，这种材料具有良好的柔性和轻便性，能够贴合人体表面，减少对皮肤的刺激。此外，传感器的构建过程相对简单，且材料成本较低，这使得其在大规模生产和应用中具有优势。与传统的血液乳酸监测相比，该传感器能够在无创、连续监测的情况下提供类似的数据，为运动训练、健康管理和疾病诊断提供了新的工具。

未来，该研究团队计划进一步优化传感器的性能，特别是在提高其对不同pH值的适应能力方面。他们希望开发一种更加智能化的校准方法，使得传感器能够在不依赖人工干预的情况下自动调整其响应特性。此外，研究团队还考虑将该传感器与其他生物传感器集成，以实现对多种代谢产物的同步监测，从而提供更全面的健康数据。这将有助于进一步推动可穿戴设备在医疗和运动科学领域的应用，为个性化健康管理提供更精准的支持。

综上所述，本研究提出了一种基于生物燃料电池的自供电乳酸传感器，能够在无外部电源的情况下实现对汗液中乳酸浓度的连续监测。该传感器采用了一系列优化措施，包括使用具有双结合位点的介体、交联剂和捕获膜，以提高电极的稳定性和响应能力。实验结果表明，该传感器不仅在实验室环境下表现出良好的性能，而且在实际应用中也能够提供可靠的乳酸浓度数据。这一成果为可穿戴健康监测技术的发展提供了新的思路，同时也为运动生理学和医学领域的研究提供了重要的工具支持。