在现代医疗模式从“被动治疗”向“主动预防”转型的浪潮中，可穿戴健康监测技术正扮演着日益关键的角色。传统健康监测高度依赖侵入性采血和医院仪器，将检测局限于临床环境，患者处于被动位置——症状出现后才能开始干预。尽管现有的可穿戴设备能够追踪心率和血压等物理信号，却无法捕捉健康全面评估所需的化学生物标志物信息。
汗液，作为一种天然可获取的生物体液，携带电解质、代谢物和激素（如Na⁺、K⁺、葡萄糖、乳酸、皮质醇），其浓度常与血液中的水平相对应。汗液可以非侵入性地采集并通过皮肤接口设备进行实时分析。正是基于这一背景，开发能够贴合皮肤并实现实时生理信息分析的柔性可穿戴汗液传感器，对于推动当代医疗模式的转型具有深远意义。
2026年，新疆医科大学Longyu Zheng与Manzure Abudusaimaiti作为共同第一作者，Chao Wang 、Huixu Li 、Ding Zhang 、Fenglian Tong 及Heting Wu 作为共同通讯作者，在ACS Sensors上发表了题为“Sweat-Based Wearable Electronic Devices for Health Monitoring: Materials, Devices, and Applications”的综述文章。该文系统性地梳理了柔性可穿戴汗液传感器在材料、器件与应用方面的最新进展，并提出了一个覆盖汗液产生、采集、信号处理全链条的系统框架，为下一代高性能汗液传感系统的设计与商业化应用提供了重要指导。
一、柔性可穿戴汗液传感器的组成
柔性可穿戴汗液传感器的完整工作流程包括三个核心环节：汗液刺激产生、汗液采集与传输、信号处理与转换。三者环环相扣，任何一个环节的短板都将制约整体系统的性能。
精准的生理监测首先需要获取足量、高质量的汗液样本。因此，可靠且高效地刺激出汗是传感系统的首要步骤。当前主流技术可分为物理诱导出汗与化学诱导出汗两大类。
物理刺激方式包括自然生理出汗和热刺激出汗。自然出汗依赖人体自主运动或高温环境激活汗腺分泌，成本低、无刺激，但响应慢（>15 min）、受环境限制大。热刺激出汗利用柔性电热材料的焦耳效应主动加热激活汗腺的热调节功能，响应速度显著提升（10–15 min），但连续加热导致能耗高，且有烫伤风险。
化学刺激方式通过经皮递送胆碱能激动剂（如毛果芸香碱）直接刺激汗腺。离子电渗疗法利用微弱电流驱动带电药物分子穿透皮肤屏障，响应迅速（<5 min），已被纳入临床实践指南。微针递送技术利用微米级针阵列穿透角质层，可实现“无痛”递送，单位面积汗液分泌量可达离子电渗法的两倍。然而，化学刺激方式面临系统复杂性和成本挑战，微针还对无菌生产有严格要求。
表1 主流出汗技术性能对比
物理刺激的核心优势在于无创和生物安全性，但受限于能量效率与激发效率之间的固有矛盾；化学刺激在效率、速度和可控性方面优势明显，尤其适合临床诊断等可靠性要求极高的场景。
汗液采集装置的设计直接影响样本完整性、检测准确性和佩戴舒适性。采集技术主要分为被动吸收与主动驱动两大类。
被动吸收装置依靠材料的物理化学特性自发收集汗液。代表性技术包括：
主动驱动装置以反向离子电渗为代表。通过在皮肤表面施加电场，驱动带电离子和中性分子穿越角质层实现非侵入性汗液提取。该技术可实现无创连续监测，但长期电刺激可能导致皮肤红斑或灼伤，且个体差异影响提取效率。
表2 主流汗液采集技术性能对比
被动吸收策略的核心矛盾在于采集效率、样本保真度、佩戴舒适度与集成复杂性之间的权衡。主动驱动技术试图通过引入外部能量克服这一矛盾。未来技术的发展将越来越依赖于多模式混合策略与新材料的整合。
汗液信号处理是将目标分析物的化学信号转换为可量化、可读物理信号的核心环节。该系统主要由反应系统、生物传感系统和信号转换传输系统三部分组成。
反应系统基于生物分子识别原理，负责从复杂汗液成分中特异性捕获目标分析物并产生初始信号。主要包括四种类型：
表3 汗液传感反应系统性能对比
生物传感技术主要通过电化学和光学方法实现汗液生物标志物的实时无创分析。电化学检测具有灵敏度高、响应速度快、易于集成等优势。根据检测原理不同，主要分为电位法、电流法、伏安法和电化学阻抗谱四种。
光学检测通过测量汗液中目标物质与特定化学试剂反应引起的光学信号变化来实现检测。比色法基于朗伯-比尔定律，操作简单、成本低廉、结果直观。表面增强拉曼散射利用金属纳米结构表面的等离子体共振效应增强拉曼信号，具有超高的灵敏度和特异性。免疫荧光检测依靠目标物与荧光探针的特异性结合，灵敏度和选择性高。电化学与光学方法具有互补性：电化学技术提供优异的时间分辨率，光学方法擅长空间映射和多参数成像。将两种模式集成到单一可穿戴平台中，可实现高时间分辨率关键生物标志物监测与空间分布图同步获取。
信号转换系统负责将生物传感信号通过可靠的无线传输技术发送至用户终端。射频识别（RFID）系统基于电磁感应原理进行通信和能量传输，无需内部电池，适合大规模生产、一次性使用和低实时性要求的长期监测。蓝牙系统采用低功耗蓝牙技术，支持实时连续数据传输，但需依赖内部电源。
随着柔性可穿戴汗液传感器技术的成熟及其非侵入性、实时监测的特点，其正从实验室研究走向实际应用。
在运动科学领域，柔性汗液传感器正通过实现非侵入性实时监测来革新训练与健康管理。
赛前风险管理是重要应用场景。基于微分脉冲伏安法的可穿戴平台实现了对汗液中甲基黄嘌呤类药物（如咖啡因）的高灵敏、高选择性监测，为反兴奋剂工作和运动员健康管理提供了即时便捷的新工具。
运动过程中，电解质（Na⁺、K⁺）、代谢物（葡萄糖、乳酸）和出汗率是评估脱水风险、能量代谢和肌肉疲劳的关键指标。研究者开发了多种创新传感系统。无线柔性离子电化学传感器通过微流控液滴结构实现出汗率和电解质浓度的长期同步监测。CO₂激光雕刻技术实现了低成本、大规模的器件制造，获得可同时监测Na⁺、K⁺、乳酸浓度和出汗率的集成式“运动皮肤实验室”。基于MOFs衍生材料与激光诱导石墨烯的多模式皮肤贴片实现了对低浓度生物标志物的高灵敏和高选择性检测，同时集成心电监测功能。
组织损伤早期识别方面，通过监测炎症因子（如C反应蛋白）和伤口渗出液水平可指导早期干预。无线柔性贴片集成高灵敏度电化学传感器，结合离子电渗 sweat 提取与微流控采样技术，采用石墨烯传感器阵列将检测灵敏度提升至pmol/L水平。双功能全集成可穿戴系统实现了皮肤表面汗液与伤口渗出液的同步原位分析。
生活方式监测方面，汗液中的电解质、维生素、代谢产物和激素浓度变化为个体生理状态的非侵入性连续评估提供了独特窗口。离子选择性电极是汗液电解质监测的主流电化学方法。汗液传感器为评估营养状况（如水溶性维生素C水平）提供了非侵入性替代方案。代谢产物（如尿酸、尿素）的监测采用纳米材料（如MXene）修饰电极增强灵敏度和抗干扰能力。汗液中激素水平（如压力激素皮质醇）的监测技术主要分为电化学方法（如基于MIP的传感器）和免疫学方法。
病理状态监测方面，汗液传感器通过连续、非侵入性监测特定生物标志物，为慢性病的家庭管理和早期干预提供了创新方案。
• 糖尿病监测：汗液葡萄糖与血糖浓度的相关性使其成为无创监测的重要替代参数。检测主要依赖电化学酶传感器（基于葡萄糖氧化酶）和光学方法（比色法、荧光法）。但汗液葡萄糖浓度远低于血液，且存在显著的个体间和个体内差异。
药物监测方面，汗液传感器为治疗药物监测和药物滥用筛查提供了极具前景的非侵入性解决方案。治疗药物监测对确保药物治疗的有效性和安全性至关重要。在药物滥用监测领域，汗液传感器因其非侵入性、操作简便和可追溯长期用药史的特点，成为现场快速筛查的理想工具。
表4 汗液传感器各应用领域系统对比
总体来看，汗液传感技术正从单指标监测向多参数综合健康评估演进，从运动健康向临床诊断深化。然而，其临床转化面临三大核心挑战：相关性验证需建立可靠的汗液-血液指标转换模型；个体化校准需解决因人而异的出汗分泌特征差异；系统可靠性需达到医疗级设备的精度与稳定性要求。未来发展趋势聚焦于多模态数据融合、人工智能辅助分析和闭环系统集成。
柔性可穿戴汗液传感器的快速发展面临着从实验室研究走向广泛临床应用的若干关键挑战。
汗液传感技术从实验室原型向可靠临床或消费设备的转化受到系统性障碍的制约。这些挑战超越了单个组件的性能范畴，源于生物界面、材料集成、能源自主和数据解释等多个层面深层次交织的问题。
（一）动态皮肤-器件界面的稳定性问题。传感器获取稳定准确信号的核心功能受到动态皮肤-器件界面的根本性挑战。这呈现一个悖论：对低丰度生物标志物（如皮质醇）的高灵敏检测需要精密的识别元件（酶、抗体），但这些元件在复杂生物环境中易受生物污染、失活和钝化，导致信号漂移和性能衰减。长期稳定性和校准仍然是连续监测的首要障碍。
（二）材料性能的相互排斥性。理想的可穿戴传感器需要兼具机械柔顺性、皮肤友好性、电子功能性和环境稳定性——这些性质往往相互排斥。例如，高导电性通常会牺牲柔韧性，而柔软的水凝胶可能缺乏耐用性。设计能够调和这些分歧需求的材料系统是材料科学的核心挑战。
（三）持续供电的能源困境。连续、无感监测需要持久的电力供应。传统电池增加体积和重量且需频繁充电，干扰长期使用。低功耗电子器件虽有帮助，但免维护可穿戴设备的愿景只能通过创新的能量收集（来自用户或环境）与超高效电源管理相结合来实现。
应对这些挑战将把汗液分析从一种有前景的传感模式提升为预测性和个性化医疗的基石。未来进展预计将通过三大支柱的融合演进实现。
（一）材料智能化。未来材料将向多功能“智能”复合材料演进——如自修复聚合物以减轻生物污染，多模式能量收集器（如摩擦电-水凝胶混合体），以及可引导汗液流动和增强传感的纳米工程基底。先进制造技术（如3D/4D打印）将实现传感器、微流控和电源单元在超薄皮肤共形贴片中的异质集成。
（二）系统自主化。下一步飞跃涉及从低功耗设备向完全自给自足系统的过渡。这将通过将能量收集器（生物燃料电池、摩擦电纳米发电机、光伏）与机载储能（如超级电容器）相结合来实现。关键在于，嵌入边缘计算和轻量级人工智能算法将实现在本地进行实时信号去噪、校准和异常检测。这种“边缘智能”大幅减少对连续无线数据传输的需求，解决能源和隐私问题，同时实现实时闭环反馈。
（三）临床标准化。临床转化不仅需要技术就绪，还需要全社区的标准化。目前，人工汗液配方、动态测试方案或统一性能指标尚无共识。标准的缺失严重阻碍了跨研究的可重复性和基准测试。研究社区应协调努力，建立参考人工汗液组成、推荐测试工作流程和统一的性能报告标准。在此基础之上，前瞻性临床试验可建立汗液生物标志物与健康结果之间的明确关联。同时，建立通用数据标准和开源算法将进一步增强跨研究的可重复性。
图11 汗液传感器核心挑战与未来展望总结
柔性可穿戴汗液传感正处于从引人注目的实验室原型向稳健的商业和临床应用过渡的关键时刻。其在运动科学、个性化医疗和远程监测方面的潜力毋庸置疑，但“可检测”的演示与“临床可操作”的系统之间仍存在显著差距。弥合这一差距需要材料科学、工程学、临床医学和数据科学领域的深度跨学科合作。未来十年，成熟将较少依赖于孤立的组件突破，而更多地依赖于“传感-能量-数据-干预”生态系统的集成协同设计。这一努力的成功将为医疗保健范式从反应性治病向主动性健康维护的转变提供基础性催化剂。
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