综述：动态氧传感技术：从大型设备到便携式监测的进展

《Biosensors and Bioelectronics》：Dynamic oxygen sensing technology: progress from large-scale equipment to portable monitoring

本综述系统评述了动态氧传感技术从大型设备向便携式监测的进展，重点探讨了氧分压（pO2）、氧饱和度（SO2）、摄氧量（VO2）等核心指标及其在疾病诊断与运动科学中的应用。文章融合电化学与光学传感、纳米技术、柔性电子与人工智能，为便携设备在精准医疗与健康管理领域的发展提供了集成化分析视角，填补了现有综述的空白。

　　

动态氧传感技术：从大型设备到便携式监测的进展

引言

氧气是细胞呼吸和能量代谢的基础，支撑着神经传导、肌肉收缩、组织修复和免疫反应等关键生理过程。氧气供应不足会导致细胞功能障碍，引发严重疾病并增加医疗负担。因此，精确监测人体组织和体液中的氧水平对于早期疾病诊断和治疗优化至关重要。

传统的氧监测方法，如血气分析、磁共振波谱（MRS）和质谱（MS），虽然精度高、可靠性强，但设备复杂、成本高昂且需要专业人员操作，难以实现实时连续监测。相比之下，便携式动态氧监测设备以其紧凑、轻便和用户友好的设计，实现了实时监测，克服了传统方法的局限。然而，这些便携设备也面临着信号干扰、长期稳定性以及生物相容性等挑战。随着纳米技术、材料科学和人工智能的进步，设备性能和可靠性不断提升，为及时临床诊断、个性化健康管理和远程医疗提供了支持，从而提高了医疗效率和患者生活质量。

现有关于氧传感的综述主要集中于氧检测技术和探针设计，缺乏对多种核心氧指标及其在便携设备中发展的集成分析。本文系统分析了用于动态监测核心氧指标——氧分压（pO₂）、氧饱和度（SO₂）和摄氧量（VO₂）的便携设备的技术进展，弥补了现有文献的不足。同时，还探讨了低氧诱导因子（HIF）和乳酸等间接生物标志物的检测，这些指标补充了直接测量，从而增强了全面氧监测的能力。此外，本综述展望了多模态数据融合的未来趋势，为临床诊断、疾病管理和运动科学提供了全面的技术和应用参考。

氧分压（pO₂）

组织氧分压（pO₂）是反映氧气输送和代谢平衡的关键指标，对于阐明生理机制以及支持心血管疾病和癌症等疾病的诊断和治疗具有不可估量的价值。在健康人体组织中，不同组织的pO₂水平存在差异。

传统测量方法如微电极和克拉克电极具有高精度，但具有侵入性且可能引起组织损伤。近年来，便携式设备的发展使得无创或微创连续监测成为可能。例如，结合荧光猝灭原理的光学传感器和基于电化学原理的柔性传感器已被开发用于皮肤或皮下组织的pO₂监测。这些传感器利用对氧气敏感的材料，当环境pO₂变化时，其光学或电学信号会发生相应改变，从而实现对组织氧水平的实时、动态追踪。这些技术进步为重症监护、围手术期管理以及慢性病（如慢性阻塞性肺疾病）的长期监测提供了有力工具。

氧饱和度（SO₂）

血氧饱和度（SO₂）定义为氧合血红蛋白占总血红蛋白的百分比，是评估血液和组织氧合的关键参数，对于评估携氧能力和利用情况至关重要。

虽然金标准的血气分析精度很高，但它是侵入性的且资源密集，不适合连续监测。光电体积描记法（PPG）和近红外光谱（NIRS）等无创技术已成为便携式连续监测的主流方法。PPG通过测量皮肤下血液流动引起的光吸收变化来估算动脉血氧饱和度（通常记为SpO₂），广泛应用于智能手表和指夹式脉搏血氧仪中。NIRS则能穿透更深层的组织，提供组织氧饱和度（StO₂）的信息，在肌肉氧合监测、脑氧监测以及外周血管疾病评估中发挥重要作用。可穿戴SO₂监测设备的创新集中在提高信号抗运动干扰能力、优化算法准确性以及增强佩戴舒适度方面，使其能够应用于睡眠呼吸暂停筛查、高原反应预警以及运动员训练负荷监控等场景。

摄氧量（VO₂）

摄氧量（VO₂）是身体在代谢过程中消耗的氧气量，反映了呼吸、心血管和肌肉系统的协同努力。它是有氧能力和心肺功能的关键指标，广泛应用于健康管理、运动科学和临床诊断，用于评估心肺适能、诊断心力衰竭、冠状动脉疾病等状况并预测健康结局。

传统上，VO₂的精确测量需要复杂的实验室设备，如代谢车，通过分析吸入和呼出气体的成分差来计算。这限制了其应用场景。便携式VO₂监测技术的发展使得在现场或日常活动中进行评估成为可能。例如，便携式肺功能仪和结合心率和运动传感器数据的可穿戴设备，可以通过间接测热法或建立预测模型来估算VO₂峰值或最大摄氧量（VO₂max）。这些设备为运动员制定个性化训练计划、评估康复效果以及大众进行健康风险筛查提供了便利。挑战在于如何提高这些便携式测量方法的准确性和可靠性，特别是在动态和复杂的环境下。

间接生物标志物

间接生物标志物，包括低氧诱导因子（HIF）、乳酸/丙酮酸比率、NAD+/NADH比率、线粒体酶活性和局部二氧化碳（CO₂）产生，通过捕捉缺氧引发的分子、代谢和微环境变化，为评估组织氧合提供了多维视角。

HIF作为细胞感受氧浓度的核心调控因子，在缺氧条件下稳定表达，激活一系列适应低氧的基因。监测HIF水平或其下游靶基因的表达有助于评估组织的缺氧程度，尤其在肿瘤学和缺血性疾病研究中具有重要意义。乳酸是糖酵解的产物，乳酸/丙酮酸比率是反映细胞氧化还原状态和是否存在无氧代谢的重要指标。连续监测间质液中的乳酸水平已成为可穿戴传感的一个新兴领域。NAD+/NADH比率反映了细胞的代谢状态，而线粒体酶活性则直接关系到细胞的耗氧能力。局部CO₂的产生与组织代谢率和血流灌注相关，其监测也可间接反映氧供需平衡情况。对这些间接生物标志物的检测，与pO₂、SO₂和VO₂等直接测量相结合，能够更全面地描绘组织的氧合状态和代谢健康。

讨论

动态氧传感技术已经从笨重、高精度的实验室技术发展到便携式、可穿戴技术，彻底改变了生理和病理状态的实时监测。传统方法如血气分析、磁共振波谱（MRS）和质谱（MS）提供了精确的氧气测量，但受限于复杂性、成本和侵入性。相比之下，微针传感器、柔性电子皮肤和智能纺织品等创新技术，通过集成纳米材料和多模态传感，显著提高了灵敏度、生物相容性和用户便利性。

未来的发展将集中于多参数融合传感，即在同一设备上同时监测pO₂、SO₂、VO₂以及乳酸等多种指标，结合人工智能算法进行数据分析和解读，从而提供更深入的生理洞察。此外，设备的长期稳定性、能源管理以及与无线通信技术的无缝集成也是需要持续优化的方向。这些进步将进一步推动动态氧传感在精准医疗、个性化健康管理和远程患者监测中的广泛应用。

结论

动态氧传感技术已经从依赖复杂、侵入性的传统方法发展为便携式、可穿戴设备。通过提供全面的组织氧合数据，这些技术为重症监护、精准癌症治疗、心力衰竭管理和运动科学中的早期诊断、治疗优化和性能增强提供了关键支持。创新的电化学和光学传感技术，结合先进材料和人工智能，正在推动该领域向更高灵敏度、更好兼容性和更智能化的方向发展。未来，通过多模态数据集成和智能分析，动态氧传感有望在预防医学、慢性病管理和人类性能增强方面发挥更大的作用。