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生物傳感器：可穿戴設(shè)備的“健康翻譯官”

生物傳感器的本質(zhì)是一種“信號轉(zhuǎn)換器”，其核心由三部分構(gòu)成：生物識別元件、換能器、以及信號處理模塊。與傳統(tǒng)的醫(yī)療檢測設(shè)備（如抽血驗血糖需刺破皮膚）相比，生物傳感器通過集成于柔性基底上，可貼合皮膚表面，通過汗液、組織液、甚至呼出氣體等非侵入或微創(chuàng)方式獲取生理信息，完美適配可穿戴設(shè)備的“輕量化”“舒適化”需求。

圖1  生物傳感器工作原理

多參數(shù)監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)

可穿戴健康監(jiān)測的目標是“全維度”，不僅覆蓋心率、血氧等基礎(chǔ)指標，還需追蹤血糖、乳酸、電解質(zhì)（如鈉/鉀離子）等反映代謝狀態(tài)與情緒變化的深層參數(shù)。實現(xiàn)這一目標，依賴生物傳感器在以下方向的技術(shù)突破：

電化學傳感器：代謝小分子的“精準捕手”

電化學傳感器通過檢測生物分子與電極表面的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)來定量分析物質(zhì)濃度，是監(jiān)測葡萄糖、乳酸等小分子代謝物的主流技術(shù)。例如，葡萄糖監(jiān)測是糖尿病管理的核心需求，傳統(tǒng)指尖采血存在疼痛與延遲問題。拜億科技研發(fā)的持續(xù)血糖監(jiān)測系統(tǒng)樣機通過表面金屬化、MEMS圖案化工藝，實現(xiàn)4mm電極制備，比目前市面上流行的5mm電極短了20%，兼具高精度及低成本特性，具有知識產(chǎn)權(quán)自主可控、工藝簡單、響應(yīng)快速、穩(wěn)定性好、準確性高等優(yōu)點。

乳酸監(jiān)測則是運動健康與疲勞評估的重要指標。汗液中的乳酸濃度與血液中的變化趨勢高度相關(guān)（相關(guān)系數(shù)>0.8），但傳統(tǒng)乳酸傳感器易受汗液pH值干擾。最近，來自美國賓夕法尼亞州立大學的研究者們開發(fā)了一種基于顆粒水凝膠（GHS）和激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）的可穿戴微流控電化學生物傳感平臺，實現(xiàn)了高效的汗液收集和靈敏的乳酸檢測，為非侵入式健康監(jiān)測提供了新的技術(shù)方案。該研究成果以“A Granular Hydrogel-Enabled Wearable Electrochemical Biosensing Platform for Continuous Non-Invasive Sweat Lactate Detection”為題，發(fā)表在《Small》期刊上[1]。

柔性微流控與多參數(shù)集成：從“單一檢測”到“全面感知”

單一參數(shù)監(jiān)測已無法滿足復(fù)雜健康狀態(tài)評估的需求，多參數(shù)集成成為趨勢。關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于如何在微小體積內(nèi)整合不同類型的傳感器、處理多路信號干擾，并確保長期佩戴的舒適性。柔性微流控技術(shù)為此提供了解決方案。例如，2023年，上海交通大學電子信息與電氣工程學院感知科學與工程學院崔大祥教授團隊在國際權(quán)威期刊《Small》以“A Fully Elastic Wearable Electrochemical Sweat Detection System of Tree-bionic Microfluidic Structure for Real-time Monitoring”為題發(fā)表最新研究成果，提出了一種名為"Sweatree"的彈性可穿戴電化學汗液檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用仿生微流體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了汗液高效收集與排放，同時使用電化學傳感器實現(xiàn)了對K+、Na+、葡萄糖和乳酸的實時檢測。它代表了彈性可穿戴汗液檢測領(lǐng)域的重大進步，并且具有擴展到其他汗液標記物或各種可穿戴應(yīng)用檢測的廣闊潛力[2]。

挑戰(zhàn)與未來：從“可穿戴”到“智能守護”

盡管技術(shù)進展迅速，生物傳感器在可穿戴多參數(shù)健康監(jiān)測中仍面臨三大挑戰(zhàn)：

長期穩(wěn)定性——汗液/組織液的成分復(fù)雜（含鹽、蛋白質(zhì)等干擾物），可能導(dǎo)致傳感器表面污染或酶失活，需開發(fā)抗污涂層（如聚多巴胺自清潔層）或自修復(fù)材料；

個體差異性——不同用戶的汗液分泌量、皮膚電導(dǎo)率等生理特征差異大，需通過AI算法結(jié)合用戶歷史數(shù)據(jù)動態(tài)校準；

醫(yī)療認證門檻——當前多數(shù)可穿戴設(shè)備屬于“消費級”，若用于疾病診斷（如糖尿病管理），需滿足更嚴格的醫(yī)療標準（如ISO 13485），這對傳感器的精度與可靠性提出了更高要求。

未來，隨著納米材料、生物相容性基底以及邊緣計算的融合應(yīng)用，生物傳感器將向“更精準”“更智能”“更無感”方向發(fā)展?；蛟S在不遠的將來，一塊輕薄的貼片不僅能實時預(yù)警低血糖或高血壓風險，還能通過分析壓力激素水平提示情緒波動，真正成為每個人身邊的“數(shù)字健康管家”。