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汗液检测与疾病分析 汗液传感器新纪元 梁印2018.06.041CONTENTSPART ONE简介1PART TWO微流体模型2PART THREE可穿戴式传感器3PART FOUR发展现状42PART ONE简介3PART ONE简介介 汗液作为一种易监测的体液来源，含有丰富的生理和代谢信息，常被用来进行药物滥用检测和运动优化。一滴汗水中除了盐分之外，还包含着我们身体中的各种科学密码，包括水化水平、电解质平衡、乳酸指数、血糖水平以及卡路里燃烧值等信息。相比较常规的血液和尿液检测，其具有非侵入（Non-invasive）和实时连续监测等优势，因此可穿戴汗液传感器的研究成为可穿戴健康电子设备领域发展的重点之一。4PART ONE简介介 早在上个世纪四五十年代，汗液就已经作为新兴医疗检测手段之一，成为关注的焦点。传统的汗液检测手段，是收集汗液于袋中，通过抗原-抗体、离子选择电极或者测量电导率检测其中的有机代谢产物和离子浓度，从而分析人体可能患有的疾病。几十年来，这种收集汗液进行医学分析的手段，仅存在于实验室中，尚未能推广。5物物质有关疾病有关疾病Na+高血钠症、低血钠症K+高血钾症、低血钾症乳酸肌无力、哮喘葡萄糖糖尿病温度皮肤损坏，如褥疮PART ONE简介介6 2017年9月，英国一家公司成功研发出一种通过指纹快速检测吸毒的技术，人们只需把手指放在这个指纹收集器上按5秒钟，随后检测人员再把收集起来的指纹放到读出装置中进行分析检测，不到10分钟就能判断出这个人是否在最近几天内吸过毒。新技术是将氧化铁粉末附在抗体上，并将它们悬浮在液体溶液中，然后再将此溶液洒在指纹上。如果存在有特定抗体的目标化学物（如毒品的代谢产物），此化学物就会和抗体结合并发光。比如，当大麻检测为阳性时，此人的指纹就会发绿光。PART ONE简介介 常规汗液检测手段面临诸多问题。“The main limitations of sweat as clinical sample are the difficulty to produce enough sweat for analysis,sample evaporation,lack of appropriate sampling devices,need for trained staff normalization of the sampled volume.”Bravo and Castro 2015年前后，微流体模型的建立和低成本可穿戴式传感器的出现，为汗液检测的发展提供了出路。J.Pharm.Biomed.Anal.2014,90,139147.7PART TWO微流体模型8PART TWO微流体模型微流体模型9汗腺微结构（从下至上）：分泌线圈（直径5-40m），真皮导管（直径10-20m），顶端汗管（角质层）Biomicrofluidics.2015,9,031301.PART TWO微流体模型微流体模型根据泊肃叶流体理论：压力=流阻 X 体积流量建模：分泌线圈可以看作一个压力源加一个流阻；真皮导管、部分顶端汗管可以各自看作一个流阻；由于表面张力和半月形汗水的凸曲率，皮肤外界可以看作一个压力源。Biomicrofluidics.2015,9,031301.10PART TWO微流体模型微流体模型11Biomicrofluidics.2015,9,031301.血液 汗腺 传感器1.提供了微流体和检测物质从血液到传感器的全过程。2.证实了测量汗液中的电解质和代谢产物的可行性和与血液中对应物质浓度的关联。3.证明了高效实时生物感知的可行性PART THREE可穿戴式传感器12PART THREE可穿戴式可穿戴式传感器感器13 2016年1月，以高伟为第一作者的研究团队在自然（Nature）上报道了一种基于塑料材质和硅集成电路的全集成柔性可穿戴汗液传感器FISA（Flexible Integrated Sensor Array）。FISA不需要依靠外部分析检测设备，可同时检测皮肤温度和汗液中的皮肤代谢物和电解质，实现一次性原位检测汗液中的多种复杂成分。Nature.2016,529,509-514.PART THREE可穿戴式可穿戴式传感器感器14信号信号检测原理：原理：葡萄糖、乳酸：氧化酶电极，Ag/AgCl作为公共的参比电极和对电极 K+、Na+：离子选择电极，PVB包裹参比电极 温度：Au/Cr 金属微丝ISE是一类利用膜电势测定溶液中离子的活度或浓度的电化学传感器。Nature.2016,529,509-514.PART THREE可穿戴式可穿戴式传感器感器15TransductionConditioningProcessingWireless TransmissionNature.2016,529,509-514.PART THREE可穿戴式可穿戴式传感器感器16 尽管FISA有便携度高、准确性高等诸多优点，但是稳定性和准确度还需要进一步优化，所收集汗液中不同成分的数据与人体健康状况之间更具体的关联也需要进一步研究。Nature.2016,529,509-514.PART FOUR最新进展17PART FOUR最新最新进展展18 微型化、集成化的全固态离子选择性电极和全固态参比电极，是检测汗液中电解质离子浓度的核心传感技术。然而，现有的大部分固态离子传感器多采用导电聚合物作为离子电子的传导层材料，存在稳定性差、干扰因素多、使用寿命短等缺点，限制了其在可穿戴汗液检测领域的应用。中科院张珽研究团队结合MEMS微纳加工技术设计制备了具有微孔阵列为模板的电极芯片，采用一步电沉积法制备了大比表面积且可调控的三维金纳米结构离子电子传导阵列电极，具有制备简单，重复性好，响应速度快等诸多优势。Anal.Chem.2017,89,1022410231.THANK YOUFOR WATCHING19