综述：用于汗液检测的可穿戴柔性微流控芯片

《CHINESE CHEMICAL LETTERS》：Wearable flexible microfluidic chip for sweat detection

　　

摘要

可穿戴柔性微流控芯片在个性化医疗和健康管理领域具有巨大潜力，因为它能够实现无创、实时且连续的汗液生物标志物监测。本文综述了汗液检测方面的研究进展，探讨了其工作原理、材料选择、制备工艺以及传感器集成策略。在微流控机制方面，利用毛细作用和层流特性的汗液收集与传输技术显著提升了检测效率。在材料设计方面，诸如PDMS和PU之类的柔性基底结合功能性纳米材料，既提升了佩戴舒适度，又提高了检测性能。光刻、3D打印和热压印等制造技术有助于实现高精度的微流控芯片结构，而原位聚合和激光蚀刻则进一步简化了集成流程。虽然电化学和光学传感是主流的传感器技术，但它们的灵敏度、选择性和长期稳定性仍有待提升。与此同时，机器学习为可穿戴设备中的噪声降低、多模态传感系统的校准以及特征模式识别提供了重要支持。尽管取得了这些进展，但由于汗液成分复杂、系统集成困难以及大规模生产问题，相关技术仍面临诸多挑战。未来，随着智能响应材料的发展、绿色制造工艺的优化以及机器学习算法的升级，微流控汗液传感器有望在临床诊断和运动健康监测领域得到更广泛的应用。

引言

随着精准医疗和健康管理理念的兴起，无创、实时、连续的生理监测已成为生物医学和可穿戴技术领域的核心研究方向。虽然传统的血液检测能够提供准确的生化指标数据，但其侵入性、较长的检测周期以及对专业设备的依赖，使得它难以满足实时监测的需求。因此，汗液、眼泪和唾液等非侵入性生物液体逐渐成为有潜力的分析对象[1]。其中，汗液中含有多种生物标志物，如电解质、代谢物和蛋白质，因此其检测潜力受到了广泛研究[2]。汗液中的葡萄糖[3]、乳酸[4]和钠离子[5]等指标可以间接反映人体的代谢状况、水分平衡、运动强度以及疾病风险，从而为健康监测提供了新的技术途径。

然而，汗液检测的实际应用面临着诸多挑战。例如，单次分泌的汗液量仅为nL到μL级别，且各成分浓度较低。这不仅增加了样本采集的难度，无法满足持续实时监测的需求，还会使检测结果容易受到皮肤分泌物等因素的干扰，从而影响检测精度[6]。同时，传统的检测设备存在体积大、操作复杂且灵活性差的问题[7]。而柔性微流控芯片的出现则为解决这些难题提供了方案[8]。这类芯片以聚二甲基硅氧烷[9]、聚酰亚胺[10]和水凝胶[11]等柔性聚合物作为基底，通过微纳加工技术制作出微通道、微反应室和微传感器阵列。它们将微流控技术所具备的微体积操控、高效分离和检测功能与柔性材料的亲肤性和舒适性相结合，实现了汗液的原位收集、传输、预处理和生化分析[12]。

与传统健康检测技术相比，可穿戴柔性微流控芯片具有便携、实时监测、无创、舒适以及多指标检测等优点。传统检测方法依赖于专门的实验室和大型设备，这限制了其在日常生活中的应用。而这类芯片体积小巧且可贴附在皮肤上，无需专业人员协助即可实现自主汗液检测[13]。在实时监测方面，传统方法只能在特定时间点获取样本，无法反映生理参数的动态变化。而这类芯片则能够实现持续收集汗液并实时分析生物标志物，从而及时捕捉生理状况的变化[14]。在采集方式上，传统检测方法往往采用穿刺和采血等侵入性手段，可能会带来疼痛、不适和感染风险，不利于长期监测。而这类芯片则通过皮肤接触实现无创汗液检测。它们由柔性材料制成，佩戴极为舒适，让用户能够在保证安全的同时持续佩戴[15,16]。此外，WFMFCs还可以在单个芯片上集成多个传感器，同时检测多种生物标志物，从而全面了解人体的生理状况[17]。

近年来，用于汗液检测的WFMFCs在材料创新[18]、制造工艺[19]以及传感性能优化[20]方面取得了显著进展。此外，机器学习的引入也大大提升了汗液分析的智能化水平和检测精度。不过，目前仍存在诸多挑战，比如提高检测灵敏度、推进系统微型化以及优化材料的生物相容性。基于此，本文对用于汗液检测的WFMFCs的研究进展进行了综述。首先，阐述了这类芯片的基本工作原理和传感器集成技术。接着，介绍了合适的柔性基底材料选择及核心制造工艺。随后，分析了当前在检测电解质、代谢物和激素等关键汗液成分方面的应用现状。然后，深入分析了当前技术发展面临的主要挑战。最后，本文还介绍了应用于可穿戴设备的机器学习技术，并探讨了未来的发展前景，旨在为相关领域的研究提供参考。

章节节选

被动泵送

WFMFCs实现汗液检测的首要步骤是高效收集并稳定传输汗液。目前，微流控汗液收集主要分为两种模式：被动泵送和主动泵送。被动泵送不需要外部能量输入，完全依靠毛细力、蒸发产生的负压以及汗腺分泌压力等流体本身的特性来实现。由于微通道的尺寸极小，因此汗液能够依靠自身力量自然流动

常见的基底材料及其特性

在WFMFCs中，选择合适的柔性基底材料至关重要。这些材料的特性会直接影响佩戴舒适度、检测稳定性以及使用寿命，同时还需要满足与皮肤良好贴合、耐汗液腐蚀、与传感技术兼容以及成本低且易于加工等要求。根据不同的汗液检测场景需求，表1 [[35], [36], [37], [38], [39], [40], [41]] 对各种材料的性能进行了比较

集成在可穿戴设备中的传感器

传感器集成技术的发展进一步增强了WFMFCs的检测能力。在WFMFCs中，传感器负责识别和检测汗液中的多种生物标志物。当微流控芯片完成对汗液的处理后，就会将稳定且适宜的样本输送到传感器处。这些传感器会按照芯片内预设的检测协议工作，与处理后的汗液样本发生反应，从而产生可测量的信号

结论

作为精准医疗和健康管理领域的核心创新技术，WFMFCs在汗液检测方面取得了多方面的突破，构建了一套涵盖材料、工艺、传感和应用在内的完整技术体系。从技术原理层面来看，汗液收集机制的创新与流体操控技术的结合，有效解决了微量汗液高效收集和准确传输这一核心难题

利益冲突

所有作者之间不存在利益冲突。

CRediT作者贡献说明

薛旭东：撰写——初稿。 张岩：撰写——审阅与编辑。

Xudong Xue|Yan Zhang

中国西安710100，延安大学西安创新学院