作者：孙琪，关贺元，许建成等，吉林大学第一医院检验科

各种先进技术和仪器不断涌现，为临床实验室自动化、信息化、智能化发展提供了有力支持。然而，传统实验室检测依赖侵入性血液采样，存在操作复杂且难以动态追踪生物标志物变化的局限性。在此背景下，可穿戴传感技术作为新兴交叉学科的代表，凭借其无创性、实时性与患者友好性，逐渐成为检验医学领域的研究热点。早期的可穿戴传感器局限于心率、血压等基础生理参数的单一监测，功能较为有限。随着多模态传感技术、人工智能算法与柔性电子材料的深度融合，现代可穿戴设备已能够对人体代谢物、电解质及炎症标志物等多种生物学标志物进行非侵入性的实时、连续动态追踪［1-2］ 。作为可穿戴技术的核心分支，可穿戴电化学和光学传感器因其灵敏度高、响应时间快等优势被广泛用于医学领域［3-5］ ，为检验医学从实验室到可穿戴式的发展提供了动力和空间。

1可穿戴电化学传感器与光学传感器工作原理

可穿戴传感技术主要通过电化学与光学两种机制实现对生物标志物的持续监测。电化学传感器将待测物信息转化为与浓度相关的电信号，具体包括安培型、伏安型、电位型及场效应晶体管(field-effect transistor，FET)型等。它们通常具有高灵敏度、易于微型化和集成的优点，但可能受到环境中电活性物质或离子强度的干扰。例如，安培型葡萄糖传感器通过酶促反应产生与浓度相关的电流［6］ ;电位型传感器则依据能斯特方程测量离子浓度［7］ ，如微针阵列可实时监测皮下间质液中的Ca2+、K + 等离子［8］ 。以葡萄糖传感器为例(图1)，其工作电极修饰葡萄糖氧化酶(GOx)，催化体液中的葡萄糖与O2反应生成葡萄糖酸和H2 O2。第一代传感器通过监测酶促反应中H2O2 或O2浓度变化，间接反映血糖水平;第二代采用低氧化还原电位介质作为电子传递体，降低检测电位干扰;第三代直接捕捉GOx与电极间的电子转移，实现无介质干扰的高精度检测［6］ 。

光学传感器依赖光与物质相互作用，通过吸收、发射、散射等方式，将传感信息转化为光学信号变化［9］ ，常见方法有比色法、荧光法和表面增强拉曼光谱(surface-enhanced raman spectroscopy，SEＲS)法。比色传感器可通过显色反应直接肉眼判读［10-11］ ;荧光传感器利用荧光强度变化实现高灵敏检测［12］ ;SEＲS技术则借助贵金属纳米结构显著增强拉曼信号，适用于痕量物质分析［13-14］ 。该类传感器具有良好的多目标检测能力和抗电磁干扰特性，但往往需借助外部光学部件进行检测。

两类传感技术在不同应用场景下各有优势，电化学传感器更适用于实时、便携的动态监测场景，而光学传感器则擅长多通道和复杂环境下的检测。为清晰呈现其特点，表1从原理、优势、局限等方面进行了对比，设计时需结合实际检测需求在灵敏度、稳定性和系统集成度之间进行权衡。

2可穿戴传感器在检验医学中的应用

在现代医学领域，疾病标志物检测对早期诊断、治疗以及预后评估具有重要意义。可穿戴传感技术能够对汗液、间质液等非侵入性生物流体进行实时、连续监测，在某些应用场景下提供了一种简单、便携的替代检测方法。然而，就其本质而言，可穿戴技术与传统实验室方法并非简单的取代关系，而是功能互补、协同共存的关系，见表2。

2．1电解质和代谢物监测电解质(Na+、K+ 、Cl－) 和代谢物(葡萄糖、乳酸)的动态监测是可穿戴传感器的核心应用方向，其数据可反映人体水合状态、肌肉疲劳及血糖波动，具有重要的临床意义。

Zheng等［21］ 开发的FET微针传感器通过可拉伸设计贴合皮肤，实时监测间质液Na+，灵敏度达5．61 m A/mm，检测限2．78μmol/L，具有优异的生物相容性和人体机械稳定性，适用于运动医学与脱水监测。另一项研究［22］ 将微流控技术与电位传感器相结合，通过毛细作用收集汗液，结合蓝牙传输实现Na+(1．89～2．97μmol/L)、K+ (3．31～7．25 μmol/L)的户外连续监测。针对囊性纤维化诊断，Li等［11］ 设计了一款水凝胶Cl－比色贴片，检测限为100μmol/L，1 min内即可完成检测，但其储存寿命短且颜色变化不可逆，需要频繁校准或更换。改进方案中，Ha等［23］ 利用姜黄素开发可逆pH传感器。

通过姜黄素化学结构改变导致的颜色变化来定性分析，传感器在pH 7～9区间颜色变化可逆，将其连接到衣物上，耐洗性大于10次，支持长期使用。

随着小型化可穿戴设备制造技术的进展，有限空间内可以集成多个传感器，实现多种分析物同步监测。Niu等［24］ 建立的“Sweatree”系统集成汗液收集微流控芯片，K+、Na+ 、葡萄糖、乳酸多参数电化学监测传感器与温度控制模块。该系统建立在一块弹性电路板上，与皱褶皮肤完美匹配，具有柔韧性和坚固性，并实现多通道数据采样、处理和无线传输，可用于日常、运动或特殊场合的汗液监测，为了解个体的代谢状况、生理应激水平和血糖变化提供有价值的见解。

Xu等［25］ 构建了人工智能电子皮肤“CAＲES”融合多模态传感与人工智能分析，能够对与应激反应密切相关的6种分子生物学标志物(葡萄糖、乳酸、尿酸、K+、Na+ 和NH+4)和与压力相关的关键生理信号(脉搏波形、皮肤电反应和皮肤温度)进行多通路无创监测。通过离子电渗技术透皮递送卡巴胆碱，按需刺激局部汗液产生，实现24 h连续监测。利用机器学习和数据分析技术，以98．0%的准确率区分3个压力源，并以98．7%的置信度评估焦虑水平，这不仅为精神健康管理提供量化工具，也为下一代医疗保健和人类表现监测开拓了新的可能性。

2．2重金属和药物监测传统重金属检测方法(原子吸收光谱法或电感耦合等离子体质谱法)依赖大型且昂贵的分析仪，不适合日常应用。Zhang等［26］ 通过方波阳极剥离伏安法实现汗液铜离子的痕量检测，铜离子在电极表面预富集后氧化剥离，检测限低至0．036 8μg/L，灵敏度达0．414μA·(μg·L－1) －1 ·cm－2，覆盖1～2 100μg/L的宽线性范围，为工业重金属暴露人群提供实时预警。Gao等［27］ 进一步突破多金属联检技术壁垒，设计了一款痕量金属检测腕带，可同时监测汗液和尿液中锌、镉、铅、铜、汞5种重金属，并使用皮肤温度传感器对这些金属的氧化峰进行校准和补偿，检测限均达μg/L级，填补了可穿戴设备在多目标重金属筛查中的空白。

重金属暴露已被证实是帕金森病(Parkinson'sdisease，PD)发病的重要环境诱因［28］ 。左旋多巴(Levodopa，L-Dopa)虽被认为是PD治疗最有效的药物之一，但长期L-Dopa治疗会引起运动障碍等副作用［29］ ，亟需动态监测血药浓度。Fang等［30］ 提出了一种基于微针的电化学传感器贴片，通过差分电极策略实时监测间质液L-Dopa。一个工作电极同时响应L-Dopa和干扰物，而另一个工作电极仅捕获干扰物质信号，二者工作电极之间的差分电流与L-Dopa浓度线性相关。这种差分方法有效解决了高浓度干扰物影响下进行低浓度监测的挑战，为传感器提供了优异的抗干扰性能，为个体化给药提供了可靠工具。该传感器具有宽线性动态范围(0～20μmol/L)、高灵敏度［12．618 n A·(μmol·L－1) －1 ·cm－2］以及长期稳定性(2周)，但未来的工作仍需进一步优化传感器性能，开发与柔性差分阵列集成的小型化无线检测系统，以实现L-Dopa的可穿戴连续监测。

近年来研究揭示咖啡因及其代谢物可能在调节PD风险方面发挥重要作用，但其代谢动力学存在个体差异。Tai等［31］ 开发的差分脉压伏安传感器，采用卷对卷印刷技术批量制备柔性电极阵列，对汗液咖啡因进无创、实时、原位监测，且对尿素、葡萄糖、乳酸、抗坏血酸等干扰物质的响应小于9．2%。该设备与智能终端无线连接，可动态追踪咖啡因摄入与代谢曲线，为PD预防性干预提供数据支撑。

2．3其他生物学标志物监测口腔挥发性硫化合物(如硫化氢)是龋齿和牙周炎的关键标志物。中山大学团队［32］ 开发了一种由纳米复合材料组成的荧光护齿器，通过硫化氢与氧化锌的荧光猝灭效应实现特异性检测，灵敏度达9．43 ppm，结合智能手机图像分析可准确定位早期龋损区域。为进一步提高护齿灵敏度实现裸眼检测，该团队基于SEＲS技术设计了一款“Au@Ag纳米棒—聚二甲基硅氧烷”可穿戴护齿器［33］ 。硫化氢与贵金属纳米颗粒结合后引发局域表面等离子体共振位移，从而导致颜色变化，检测限降至7．86 ppm，肉眼可辨。Liang等［34］ 进一步融合3D打印技术，定制可载药护齿器，其微腔结构靶向释放抗菌剂，实现“检测－治疗”闭环管理。从口腔扫描到最终佩戴定制的药物负载护齿器，整个工作流程不到2 h，未来，这种方法可以复制到其他个性化按需给药设备的3D制造中，从而大大减少患者等待时间。

氨基酸来源于饮食摄入和肠道微生物群合成，并受个人生活方式影响，是健康状况的重要生物学标志物。Wang等［1］ 报道的“NutriTrek”可穿戴传感技术利用分子印迹－电化学协同策略，突破非电活性物质检测瓶颈。电活性物质直接通过差分脉冲伏安法测定峰值电流，非电活性物质采用间接检测方法，目标分子与分子印迹层特异性结合，阻碍石墨烯表面电活性层的电子传递，通过线性扫描伏安法量化电活性层氧化峰衰减，从而实现快速定量检测。该系统集成于智能手表，可同步监测汗液9种必需氨基酸、常见维生素(维生素B6、C、D3和E)、代谢物(葡萄糖、尿酸、肌酸、肌酐)、脂质(胆固醇)、激素(皮质醇)、药物(霉酚酸)，结合钠离子与温度校准，为标准膳食摄入量、营养状况、代谢综合征风险和COVID-19感染程度的个性化监测提供数据支撑。

针对炎症标志物C反应蛋白(CＲP)的动态监测需求，该团队基于伏安法开发了“InflaStat”可穿戴无线贴片。该系统［35］ 使用金纳米颗粒(AuNPs)修饰石墨烯传感阵列提升电子传递速率，并与离子电渗微流控模块结合，能够对汗液CＲP进行高度灵敏原位检测，检测限低至8 pmol/L。AuNPs与电活性氧化还原分子硫氨酸和CＲP检测抗体偶联，当CＲP分子进入传感器时，会触发氧化还原分子产生电流。Au NPs包含多个检测抗体，能够放大单个CＲP分子的微小信号，实现痕量水平汗液CＲP分析。该贴片能够在慢性阻塞性肺病患者中准确测量CＲP水平，首次证实汗液CＲP作为系统性炎症标志物的临床可靠性，这一发现为慢性疾病的管理提供了一种新的非侵入性监测工具。

综上所述，可穿戴传感器在电解质、代谢物、重金属、药物及其他生物标志物监测中展现出显著优势，与传统检验方法形成良好互补(表2)。其在实时连续性、无创/微创及便携性方面表现突出，但在检测限、稳定性及抗干扰能力等方面仍需进一步提升，未来的发展将集中于提高传感器性能、深入验证临床相关性及推动多模态传感与人工智能融合。

3总结及展望

可穿戴传感器凭借实时、连续、无创监测生物标志物的能力，为日常健康管理和疾病诊断提供了新的技术手段。该类设备如皮肤贴片、护齿器、智能手表等，结合人工智能与物联网技术，可动态追踪代谢物、药物浓度及炎症标志物，为疾病筛查与慢病管理提供重要数据支持，推动远程医疗和个性化健康管理的发展。

然而，其临床应用仍面临多重挑战。首先，在数据质量及质量控制方面，环境干扰(如温湿度变化)和生物污染易引起测量误差，且缺乏统一的校准标准和验证体系，未来需开发多参数实时校准算法和抗污染传感界面，建立可追溯的质量控制流程。其次，在数据伦理方面，持续采集的健康数据涉及用户隐私，其所有权、知情同意机制及合规使用尚未规范，需通过加密技术、边缘计算和立法保障强化隐私保护。最后，在不同技术与产品的一致性及可比性方面，传感器性能差异导致数据难以互认互通，应推动跨平台标定协议和行业标准建立，鼓励开源算法与一致性评价研究，以提升数据的可靠性与整合性。

除上述问题外，生物相容性、长期佩戴舒适度与设备成本等因素也制约其推广。未来研究应聚焦于优化传感器性能，开发更稳定的检测技术与智能算法，同时积极探索与临床需求的深度融合。应重点突破数据质量瓶颈、构建伦理与治理框架，推动行业标准化和临床转化，以期在保障用户隐私和数据安全的基础上，实现可穿戴传感器在更广泛医疗场景中的可靠应用。

参考文献略。

来源：临床检验杂志2025年10月第43卷第10期

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