汗液是一種復雜的生物流體，包含多種生化成分，例如電解質、代謝物、小分子以及藥物等。對這些物質濃度的定量測量，為追蹤日常健康狀況和監測疾病進展提供了一種非侵入性的方法。此外，出汗速率和總失汗量能為人體代謝、體溫調節和水合狀態提供有價值的信息，是生理監測中具有補充作用的關鍵參數。
新興的柔性可穿戴微流控平臺可以利用電化學、熒光法和/或比色法進行生化傳感。比色法因其操作簡便、成本低廉且易于使用而具有獨特優勢。經過優化的比色法，當檢測組分與目標分析物發生選擇性相互作用時會產生顯著的顏色變化，這一特性為通過數字圖像采集和顏色提取實現定量分析提供了基礎。在某些情況下，甚至直接目視檢查就足以保證檢測的可靠性。
當前面臨的實際挑戰之一在于，由于個體差異，以及與飲食攝入、代謝過程、疾病狀態和整體健康狀況相關的其它因素，導致關鍵汗液生物標志物的濃度波動范圍可能很寬泛。因此，兼具寬動態范圍和高精度的比色檢測方案，對于在不同人群和生理條件下實現可靠且具有臨床意義的應用至關重要。此外，系統還需要能夠應對汗液體積的大范圍波動——這種體積差異源于個體差異、汗液誘導方式以及汗液收集的累積時長等因素。
據麥姆斯咨詢介紹，為應對上述挑戰，韓國中央大學機械工程學院助理教授Da Som Yang領導的國際研究團隊最近探索并展示了多種有前景的3D微流控結構、表面化學、界面設計和比色化學試劑，以實現高性能的下一代汗液檢測和分析。相關研究成果已經以“Soft, Skin-Interfaced 3D Microfluidic Systems for High Performance Assessment of Sweat Rate, Cumulative Loss and Biochemical Content”為題發表于Advanced Functional Materials期刊。
基于比色原理設計的3D汗液微流控器件示意圖與圖像
該研究介紹了一系列微流控設計方案以應對上述挑戰，同時還介紹了用于先進生物標志物檢測的比色化學反應體系。皮膚界面處的表面化學修飾和優化的微通道布局，顯著提高了汗液收集效率。分析儲液池和微通道連接部分的3D結構設計，能夠以兼具高動態范圍和高精度的方式對生化成分、出汗速率及總出汗量進行評估。這些核心創新通過整合成熟的氯離子比色檢測方法，以及針對黃嘌呤和肌酐比色傳感的先進化學體系，進一步提升了比色傳感性能。
3D汗液微流控器件的機械特性表征
氯離子是評估人體電解質平衡的重要指標，也是囊性纖維化（CF）篩查中的關鍵生物標志物。黃嘌呤作為一種參與核苷酸降解的嘌呤衍生物，也是咖啡因代謝的中間產物，在攝入咖啡因后其濃度會顯著升高，可反映嘌呤代謝及腎功能相關的快速變化。肌酐由肌肉中磷酸肌酸代謝產生，可用于評估腎功能、管理慢性腎病，以及監測肌酸補充劑對肌肉生長的影響。
汗液中氯離子濃度的定量比色分析
研究團隊基于這些集成系統開展了全面研究，包括實驗室表征和人體受試者測試。人體測試包括通過毛果蕓香堿離子電滲法進行藥物誘導出汗，同時結合體育鍛煉或在桑拿房高溫環境中誘導出汗，實現多場景汗液檢測。值得注意的是，攝入補充劑后，人體動態追蹤研究成功揭示了汗液中黃嘌呤和肌酐水平24小時內的波動情況。
汗液中黃嘌呤與肌酐濃度的定量比色分析
Yang博士解釋了這項研究工作的動機：“我一直對與人體直接交互的柔性電子和微流控技術很感興趣。汗液尤其關注，它是一種富含生理信息的非侵入性生物體液。然而，汗液中的生物標志物濃度會隨時間動態變化，尤其是在攝入食物或營養補充劑后。由于這些標志物濃度的高低值波動很大，因此需要一種有效的工具來精確跟蹤這些變化。現有的測量技術在準確性和動態范圍上都存在局限性，難以捕捉這些動態變化。克服這些挑戰的愿望促使了這項研究。”
研究人員通過3D微流控結構實現了創新的汗液收集和分析技術，能夠同時精確測量汗液速率、總出汗量以及主要生物標志物，包括氯離子、黃嘌呤和肌酐等。此外，這項研究展示了非侵入性監測關鍵健康指標的能力，例如腎功能、咖啡因代謝和電解質平衡。成功的體表試驗，也證明了該微流控系統在攝入食物或補充劑后追蹤動態生物標志物的能力。
經效率優化的汗液收集層的制備流程、光學圖像及性能表征
總體而言，研究團隊超越了現有汗液傳感技術的局限性，實現了寬廣的動態范圍和高精度。
Yang博士指出：“這項技術可應用于廣泛領域，包括管理運動員狀態、預防高溫環境下工人的熱應激，以及監測慢性腎病患者等。它還有望實現代謝和健康狀況的實時非侵入性追蹤，為個性化醫療和預防醫學做出貢獻。”
綜上，本研究提出了一種柔性皮膚界面微流控平臺。該平臺通過采用3D結構設計、優化的微通道布局以及穩定的表面化學修飾，實現了對汗液生物標志物的高動態范圍比色傳感，同時還能測量出汗速率與累積出汗量。
微通道結構的光學圖像、設計方案及性能表征
該微流控平臺策略性地設計了多個不同深度的儲液池，不僅能在分析物低濃度時實現高靈敏度檢測，還能在生理相關濃度范圍內的高濃度條件下實現有效檢測。其錐形微流道可對寬范圍的出汗量與出汗速率進行精準測量。針對氯離子，采用直接比色化學法；針對黃嘌呤與肌酐，采用酶促反應法，這些檢測方法結合親水性表面處理與橫向收集通道，即便在低出汗速率下也能高效收集汗液，確保檢測的特異性與準確性。
人體試驗證實，該平臺能夠追蹤攝入咖啡和肌酸后生物標志物的動態變化，這表明其在監測飲食與代謝波動、評估腎功能以及優化身體機能方面具有廣泛的應用潛力。本研究明確了該傳感平臺的功能與動態檢測范圍，未來研究將重點表征肌酐、黃嘌呤等關鍵生物標志物在血液與汗液中的相關性，以進一步評估其臨床應用價值。
總體而言，這類微流控器件具備柔性以及與皮膚相容的力學特性，能夠快速、可靠地處理汗液，整合高通量比色檢測功能，同時借助最新開發的制造技術，實現了規模化生產潛力。這些優勢凸顯了該平臺成本效益高、應用范圍廣的特點，有望應用于個人健康狀況監測、體育項目中的訓練方案優化、工人安全追蹤，以及需要無創實時生物標志物分析的疾病診斷領域。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202509169
延伸閱讀：
《可穿戴傳感器技術及市場-2025版》
《電子皮膚貼片技術及市場-2022版》
《蘋果在無創血糖監測領域的發明專利與產業布局分析》
《基于拉曼光譜的血糖監測專利態勢分析-2024版》
《雅培輔理善瞬感持續血糖監測傳感器產品分析》
《糖尿病管理技術及市場-2025版》
