可穿戴扩散式皮肤气体分析技术：实现长期连续生理监测的新范式

本研究针对现有可穿戴设备受表皮更新限制（仅3天使用寿命）和生物流体采集局限等问题，开发了基于扩散原理的皮肤气体传感器（DBGS）。通过创新性"漏腔"设计结合差分测量技术，实现了汗液速率、VOCs和CO2等皮肤气体标志物的实时监测，时间分辨率达秒级，且无需更换传感器即可连续工作数周。该技术为数字医疗提供了全新的生理监测维度，相关成果发表于《Nature Communications》。

　　

在生物传感领域，可穿戴设备长期受限于两大技术瓶颈：一是依赖粘合剂的接触式传感会因表皮更新（epidermal turnover）导致3天后失效；二是现有技术主要监测物理信号（如运动）和生物流体（如汗液），却忽视了皮肤释放的气体分子这一重要生物标志物。传统皮肤气体检测需要笨重的气相色谱仪或严格密封装置，根本无法满足日常使用需求。这种技术缺口使得科学家们错失了通过皮肤气体监测来研究代谢、压力反应等重要生理过程的宝贵机会。

美国亚利桑那大学Philipp Gutruf团队在《Nature Communications》发表的研究，开发出名为"扩散式气体传感器"（Diffusion-Based Gas Sensors, DBGS）的革命性平台。该技术通过3D打印构建具有空气动力学特性的"漏腔"结构，既能阻挡外界气流干扰，又允许皮肤气体通过扩散作用进入腔体。结合差分测量技术，首次实现了汗液速率、VOCs和CO₂等多种皮肤气体的实时、连续监测，时间分辨率达到秒级，且无需更换传感器即可连续工作数周。

关键技术包括：（1）生物相容性3D打印平台构建，采用紫外光固化弹性树脂制作带空气动力学阻挡结构的扩散腔；（2）双传感器差分测量系统，同步监测腔体内外气体浓度；（3）流体动力学模拟优化腔体抗干扰性能；（4）多模态传感器集成，可同时检测湿度、CO₂和VOCs；（5）无线充电和低功耗蓝牙传输系统实现长期连续监测。研究对象包括4名健康成年人（2男2女），进行室内外骑行、力量训练等对照实验。

【表征和扩散腔模拟】
通过计算流体动力学模拟证明，设计的腔体在30mph风速下能将内部气流速度降低89.1%。实验显示该设计可在0-7μL/min生理汗液速率范围内保持稳定检测，即使在极端湿度下仍能区分不同汗液速率。

【受控环境下的体内结果】
与金标准（称重法）对比显示，DBGS汗液速率检测的Pearson相关系数达0.866（R²=0.75）。在模拟户外条件的风扇实验中，DBGS与称重法结果保持高度一致，证实其抗干扰能力。

【运动和日常活动中的表现】
重量训练中捕捉到举重前后汗液速率的特征性波动（标准差仅0.00235μL/cm²/min）；网球比赛期间成功记录热身、技术训练和模拟比赛三个阶段的差异化汗液反应；连续5.5天监测显示设备可稳定捕捉日常活动、睡眠和运动的汗液变化。

【多模态皮肤气体表征】
除汗液外，DBGS成功监测到：运动时CO₂排放增加153.4%；饮酒后VOCs排放出现171.2%的峰值；心理压力测试（AX-CPT）期间CO₂先升后降的特征性变化。所有气体指标均能在10秒内响应浓度变化。

这项研究开创了皮肤气体连续监测的新范式。DBGS技术突破性地解决了可穿戴设备在表皮更新、采样体积和生物污染等方面的根本限制，首次实现了多种皮肤气体的高时间分辨率、长期连续监测。其意义不仅在于技术革新，更开辟了通过皮肤气体分析研究代谢、神经内分泌反应的新途径。特别是在捕捉瞬态生理事件（如运动后汗液停止、心理压力反应等）方面展现出独特优势，为运动科学、压力管理和慢性病监测等领域提供了全新研究工具。该平台与现有生物相容性电子技术的无缝集成，预示着真正"隐形"、可持续数月的生理监测系统即将成为现实。