糖尿病是一種常見的慢性代謝性疾病，主要特征是血糖過高。它已經(jīng)成為全球主要的死亡原因之一，全球約有數(shù)億人受到影響，每年約有160萬人因此死亡，因此，定期且準確地監(jiān)測血糖對糖尿病的診斷和管理至關重要。如今，便攜式血糖儀（BGM）已廣泛應用于居家自我檢測，通過指尖采血來精準評估血糖水平。然而，由于這些設備的結構和傳感原理，用戶不得不頻繁忍受侵入性痛苦及潛在的感染風險，尤其是對于那些傷口不易愈合的糖尿病患者。此外，傳統(tǒng)血糖儀無法進行連續(xù)監(jiān)測。因此，作為一種有巨大潛力的替代方案，可穿戴傳感器逐漸受到關注，并符合現(xiàn)代個性化醫(yī)療的需求。可穿戴傳感器能夠通過衣物、眼鏡或透皮貼片等形式與皮膚結合，提供更為便捷的使用體驗。隨著生物傳感模塊的集成，可穿戴式傳感器不僅能夠進行生理數(shù)據(jù)監(jiān)測，還能非侵入性地檢測代謝物、離子和生物標志物。然而，目前這一技術仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如，如何滿足不同年齡段和不同活動狀態(tài)人群的需求。因此，進一步研究和優(yōu)化可穿戴生物傳感器，將有助于實現(xiàn)更加個性化的健康診斷和日常護理。

近期，寧波大學材料科學與化學工程學院余鎮(zhèn)重助理研究員報道了一種新的基于電熱薄膜刺激汗液分泌的可穿戴生物傳感器，可以實現(xiàn)靜息時人體汗液中葡萄糖的定量分析，相關成果以“WearablePatch Biosensor through Electrothermal Film-Stimulated Sweat Secretion forContinuous Sweat Glucose Analysis at Rest”為題發(fā)表在國際化學權威雜志Analytical Chemistry上（DOI: 10.1021/acs.analchem.4c04271）。寧波大學碩士研究生劉玉婷為該論文的第一作者。

研究的主要內(nèi)容

本研究開發(fā)了一種可穿戴貼片生物傳感器，通過電熱薄膜刺激汗液分泌，用于靜息狀態(tài)下的汗液中葡萄糖分析。如圖1所示，該系統(tǒng)包含五個主要模塊：電熱薄膜、溫度傳感器、微流控通道、電化學葡萄糖生物傳感器和粘合層。在檢測過程中，負載銀納米線（AgNWs）的電熱薄膜具有較高的電熱效應，通過加熱增加皮膚溫度，刺激汗液分泌。隨后，汗液在微流控系統(tǒng)中被收集和富集，這可以避免汗液的快速蒸發(fā)，并減少汗液的傳輸時間。最后，使用普魯士藍（PB）和葡萄糖氧化酶（GOx）功能化的電化學傳感器測量汗液中的葡萄糖含量。通過掃描電鏡和透射電鏡對銀納米線進行了一系列表征，并通過熱紅外成像儀測定了電熱薄膜的焦耳熱性能，用仿真模擬了汗液在微流控通道里面的流通情況。結果證明銀納米線具有良好的線性結構，并且制成的電熱薄膜具有優(yōu)異的電熱性能。此外，模擬實驗也證實了汗液在微流體通道內(nèi)的快速富集（圖2）。并且對電化學葡萄糖傳感器進行了表征和一系列電化學測試，證明了該電化學傳感器對葡萄糖具有良好的靈敏性、選擇性和線性關系（圖3）。

在實際人體測試中發(fā)現(xiàn)，通過熱刺激能夠有效促進人體汗液分泌，其速率是無熱刺激時的3倍。并且在設定溫度下，該熱刺激對人體皮膚沒有傷害（圖3）。通過對受試人員跟蹤測試，發(fā)現(xiàn)此策略測得的汗液葡萄糖濃度與血液中葡萄糖濃度在一天內(nèi)的波動趨勢一致，表明其用于人體血糖濃度檢測的可行性（圖5）。該方法運用電熱刺激汗液分泌的方式為非侵入式檢測汗液中的葡萄糖提供了新的思路。

圖1. (A) 可穿戴貼片的結構示意圖 (B) 熱模擬葡萄糖分泌的示意圖 (C) 電化學葡萄糖生物傳感器的傳感原理。（來源：Analytical Chemistry）

圖2. (A) AgNWs的SEM圖和(B)TEM圖 (C-D) AgNWs的EDS（插圖：AgNWs溶液的照片） (E) 電熱薄膜的照片 (F) 不同驅(qū)動電壓下，AgNWs載體薄膜的電熱性能 (G) 不同驅(qū)動電壓下，AgNWs載電熱薄膜的飽和溫度紅外（IR）圖像。(H) 電熱薄膜在1.5 V下的循環(huán)驅(qū)動情況(I) 微流控通道的頂視圖照片 (J) 微流控通道的橫截面視圖照片(K) 微流控通道中汗液流動的仿真圖。（來源：AnalyticalChemistry）

圖3. (A) SPE的照片（B-C）CSPE和C/PB SPE的SEM圖像（D-E）C SPE和C/PB SPE的對應截面SEM圖像 (F) C SPE在不同掃描速率下的循環(huán)伏安響應 (G) C SPE、C/PB SPE和C/PB/GOxSPE的循環(huán)伏安響應 (H) 葡萄糖傳感器對不同葡萄糖濃度的實時安培響應（插圖：實時安培響應的對應放大視圖） (I) 電流與葡萄糖濃度的校準曲線 (J) 葡萄糖生物傳感器的動態(tài)響應性(K) 葡萄糖生物傳感器的特異性。（來源：Analytical Chemistry）

圖4. （A）手掌加熱前后的照片和（B）紅外圖像。（C）手掌和手背熱致出汗時微流控通道中的汗液分泌與。（D）手掌和（E）手背在有無熱刺激下的汗液分泌速率。（來源：Analytical Chemistry）

圖5. （A）可穿戴貼片生物傳感器測試系統(tǒng)。（B）電熱加熱和不電熱加熱刺激時手掌體表汗液分析的電流信號及其（C）測試照片。（D）手掌和手背中汗液葡萄糖的電流檢測信號和（E）含量。（F）餐后不同時間可穿戴貼片生物傳感器測得的汗液葡萄糖計時安培響應及(G)血糖儀測得的相應血糖。（H）餐后2小時內(nèi)和（I）全天正常用餐時汗液葡萄糖濃度和血糖濃度的變化。（來源：AnalyticalChemistry）

在這項工作中，我們設計了一種熱刺激可穿戴汗液分析平臺，用于靜息狀態(tài)下非侵入性和持續(xù)性的汗液葡萄糖分析。該平臺利用負載了AgNWs的柔性熱膜作為熱源，提供了一種簡單、有效且安全的熱刺激汗液收集方法，適用于靜息狀態(tài)下人體汗液中葡萄糖檢測。為了實現(xiàn)持續(xù)的佩戴監(jiān)測，這一可穿戴分析平臺結合熱膜用于局部汗液刺激，微流控通道用于汗液收集，PB/GOx功能化的生物傳感器用于汗液葡萄糖檢測，以及智能手機用于結果顯示。檢測結果表明，汗液與血清葡萄糖水平之間存在直接關系，并且全天具有明顯的同步波動趨勢。與傳統(tǒng)的離子滲透、運動或熱水浴方法相比，該策略避免了長期的電刺激，并且無需場地或設備限制，可以隨時操作。該設備為糖尿病管理提供了便捷且持續(xù)的家庭葡萄糖監(jiān)測，特別適用于老年人、患者和行動不便的人群。

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來源：分析人

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