相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，汗液中的大量生物標(biāo)志物的濃度與血液中相對(duì)應(yīng)的循環(huán)分析物的濃度相關(guān)。因此，持續(xù)監(jiān)測這些汗液生物標(biāo)志物的濃度變化為許多疾病的早期診斷提供了機(jī)會(huì)，例如，通過對(duì)氯化物、葡萄糖、尿酸和酪氨酸的濃度監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)囊性纖維化、糖尿病和痛風(fēng)的早期診斷。此外，對(duì)汗液流失的追蹤將為運(yùn)動(dòng)員、軍事人員和臨床護(hù)理醫(yī)生提供個(gè)性化和時(shí)效性的反饋，以提醒相關(guān)人員及時(shí)飲水，從而防止脫水或中暑癥狀的發(fā)生。

在特定的時(shí)間點(diǎn)實(shí)現(xiàn)身體不同部位汗液樣本的收集、捕獲以及隨后的分析是至關(guān)重要的，這一需求促進(jìn)了電化學(xué)和比色汗液傳感器的發(fā)展。與電化學(xué)傳感器不同，比色汗液傳感器由于無需用于數(shù)據(jù)分析和傳輸?shù)碾娮悠骷?，因此具有更加良好的兼容性，成本更低，并且易于使用。比色傳感器通常與微流控器件集成，以實(shí)現(xiàn)在單個(gè)平臺(tái)上檢測多種分析物。此外，通過將微流控通道與一系列獨(dú)立的儲(chǔ)液室相連，可以實(shí)現(xiàn)汗液的時(shí)間序列采樣和分析，同時(shí)最大限度地減少汗液交叉污染或蒸發(fā)的問題。因此，合理的微流控器件設(shè)計(jì)使得利用比色法可靠地監(jiān)測汗液中生物標(biāo)志物的濃度變化成為可能。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，湘潭大學(xué)劉逸為老師、王秀鋒教授以及美國賓夕法尼亞州立大學(xué)（The Pennsylvania State University）程寰宇教授在npj flexible electronics期刊上共同發(fā)表了題為“Skin-interfaced colorimetric microfluidic devices for on-demand sweat analysis”的綜述性論文，總結(jié)了用于生物流體管理和計(jì)時(shí)采樣的微流控閥，以及用于微流控自反饋的主動(dòng)觸發(fā)器的最新進(jìn)展。此外，在列舉了目前比色微流控汗液器件在時(shí)間分辨率和可靠性方面的局限性之后，作者們進(jìn)一步指出了其未來發(fā)展的一些潛在可行策略。

圖1 具有比色檢測功能和微流控網(wǎng)絡(luò)的皮膚界面比色微流控器件示意圖，用于汗液分析和先進(jìn)的汗液控制與反饋

比色微流控汗液器件的計(jì)時(shí)采樣行為

在電化學(xué)汗液傳感器中，電路模塊通常首先用于對(duì)微流控閥系統(tǒng)進(jìn)行電子編程，以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)生物流體管理，并且基于收集的生物流體產(chǎn)生可以無線傳輸?shù)碾娦盘?hào)，以及可以在智能手機(jī)或電致變色顯示器上顯示的可視讀數(shù)。

而比色汗液傳感器沒有電子元件，只能依靠滲透作用產(chǎn)生的自然汗液壓力驅(qū)動(dòng)汗液通過柔性微流控結(jié)構(gòu)進(jìn)行汗液采樣。因此，設(shè)計(jì)微流控中的閥結(jié)構(gòu)來主動(dòng)管理微流控網(wǎng)絡(luò)中的生物流體流動(dòng)以進(jìn)行計(jì)時(shí)采樣和分析是至關(guān)重要的。常用的設(shè)計(jì)包括毛細(xì)管爆破閥、疏水閥和聚合物閥。每種類型的閥都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性，在計(jì)時(shí)采樣和比色讀出的應(yīng)用中展現(xiàn)了獨(dú)特的作用。因此，也可以將不同類型的閥組合起來，以實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)和原位汗液監(jiān)測的協(xié)同效應(yīng)，例如，被動(dòng)聚合物閥可以將汗液輸送到所需的儲(chǔ)液室進(jìn)行分析，并在觸發(fā)后阻塞通道以防止汗液回流，但仍然需要與其它類型的閥（毛細(xì)管爆破閥或疏水閥）相結(jié)合以進(jìn)行計(jì)時(shí)采樣。

圖2 基于被動(dòng)閥結(jié)構(gòu)的皮膚界面微流控器件，用于計(jì)時(shí)汗液采樣

無電子汗液控制或反饋技術(shù)

比色微流控器件面臨的主要挑戰(zhàn)包括：（1）汗液的流動(dòng)和混合不受控制；（2）可溶性化學(xué)試劑可能會(huì)從反應(yīng)室回流到皮膚；（3）由于出汗速率的變化而導(dǎo)致精確分析時(shí)間的不確定性；（4）難以進(jìn)行多步比色分析；（5）不可逆比色反應(yīng)阻礙連續(xù)分析的實(shí)現(xiàn)；（6）缺乏及時(shí)的自反饋過程。解決上述挑戰(zhàn)的一個(gè)潛在解決方案是將汗液分析系統(tǒng)與電子可編程微流控閥相結(jié)合，該微流控閥使用可單獨(dú)尋址的微加熱器來控制熱響應(yīng)水凝膠阻塞的微通道中的汗液流量。閥的主動(dòng)控制可以實(shí)現(xiàn)在用戶定義的時(shí)間進(jìn)行汗液分析，從而不受汗液流速和其它外部干擾的影響。

圖3 比色微流控器件中的無電子汗液控制和反饋技術(shù)

總體而言，盡管比色汗液傳感器的研究已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但仍然有許多挑戰(zhàn)需要解決以使其實(shí)現(xiàn)更高水平的舒適性、機(jī)械形變狀態(tài)下穩(wěn)定功能的保持，以及滿足各種應(yīng)用的低成本器件的可靠制造。首先，為了減少不適和醫(yī)源性傷害，可穿戴器件（特別是用于嬰兒等皮膚嬌嫩人群的情況下）需要進(jìn)行柔性和可形變?cè)O(shè)計(jì)。然而，器件在運(yùn)行過程中的形變或其它非特異性外部因素會(huì)影響微流控器件中的汗液流動(dòng)行為，甚至意外觸發(fā)反饋組件。雖然可以通過具有相對(duì)剛性的微通道和柔性襯底的集成化微流控器件來緩解這一問題，但是該類型的微流控器件制造工藝昂貴且耗時(shí)（例如光刻和深反應(yīng)離子刻蝕工藝，其封裝時(shí)間超過16小時(shí)），并且其材料和模量與皮膚具有較大的不匹配性。相比之下，數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)可以快速制造（< 1小時(shí)）具有微米尺度特征尺寸（< 100 μm）的3D打印通道，并增強(qiáng)器件的光學(xué)透明度。

同時(shí)，數(shù)字光處理技術(shù)的灰度值范圍可以實(shí)現(xiàn)使用不同強(qiáng)度的光來制造具有高達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)機(jī)械梯度的梯度功能材料，從而減輕了模量突變的問題。其次，使用皮膚界面可穿戴器件進(jìn)行準(zhǔn)確的汗液分析需要減少皮膚分泌的污染物（例如皮脂、皮膚碎片和灰塵）。例如，有研究人員設(shè)計(jì)了一種紙基三明治結(jié)構(gòu)pH傳感器，使用普通的控油片即可以過濾混合在汗液中的皮脂。最后，大多數(shù)比色汗液傳感器也存在一次性使用試劑和非連續(xù)檢測的問題。在可逆比色試劑出現(xiàn)之前，使用可替換的比色器件是一種替代方法。

圖4 可穿戴比色汗液監(jiān)測系統(tǒng)的未來機(jī)遇與挑戰(zhàn)

審核編輯：劉清