近日，美國加州大學柏克萊分校(UniversityofCalifornia,Berkeley)成功研制出可穿戴式汗液生物傳感器。該傳感器可對人體汗液進行實時分析。該校電子工程暨信息科學教授AliJavey，總是喜歡把他的團隊正在進行之可穿戴式電子研究項目稱為“人體大數(shù)據(jù)(bigdataofthehumanbody)”。

今日的可穿戴式傳感器已經能追蹤使用者的身體活動與生命征象，但Javey在近日于美國舉行的2016年度國際電子組件會議(IEDM)上發(fā)表他的研究團隊成果“可穿戴式汗液生物傳感器(wearablesweatbiosensor)”時指出：“沒有人能以分子(molecular)水平監(jiān)測個人健康狀況?！?/p>

市面上已經有許多不同的可穿戴式設備，如Fibit、Misfit、AppleWatch以及各種血糖儀等等，這些智能醫(yī)療設備似乎與現(xiàn)實世界僅距離一步之遙，顯然各種無所不在的無線技術以及運算技術，已經能增強針對每一位病患的監(jiān)測。

數(shù)據(jù)采集仍然是最大的挑戰(zhàn)；為此各家廠商爭相開發(fā)超低功耗、柔性、印刷式電子組件，以催生能持續(xù)監(jiān)測使用者健康狀況并能以非侵入式方法實時采集人體數(shù)據(jù)的設備。

在今年IEDM發(fā)表的多篇論文，就是關于柔性與印刷式電子組件技術；所提出的方案從高性能的柔性CMOS電路與傳感器、省電多模式生物感測技術，到RFID與醫(yī)療貼片應用之柔性金屬氧化物薄膜晶體管電路。

而Javey的團隊所發(fā)表的“可穿戴式汗液生物傳感器”論文特別出色，因為該團隊探討“了以廣泛的汗液生物標記頻譜監(jiān)測人體”。

不同于傳統(tǒng)的可穿戴設備，Javey團隊將人類的汗液設定為一種收集與探測更精確、更具洞察力之生理信息的手段；他表示：“我們選擇汗液的原因，是因為那是最容易取得的體液。”

值得注意的是，汗液分析并不是新概念，已經有各種汗液生物標記被開發(fā)，用以定義人體健康狀況；Javey解釋，例如在運動領域，人們通常會以汗液分析來進行藥物檢測，還有汗液氯化物檢測已經是囊腫性纖維化(cysticfibrosis)的標準診斷程序。

Javey表示，可穿戴式生物傳感器已經被應用于在各種室內或戶外的人體活動中，分析新陳代謝、電解質與重金屬等廣泛的汗液成分：“汗液中的鈉離子與鉀若過量損失，將導致低鈉血癥(hyponatremia)、低鉀血癥(hypokalemia)、肌肉痙攣或是脫水。”

其他發(fā)現(xiàn)還包括，汗液中的乙醇與葡萄糖據(jù)說在新陳代謝上與血液中的乙醇與葡萄糖相關，而汗液乳酸(lactate)可以被潛在視為壓力性缺血(pressureischemia)的敏感性標記；不過今日的汗液分析仍是得將檢體收集起來送到實驗室去才能進行。

而Javey的看法是，最好的解決方案是“人體汗液的實時分析”──也就是利用像是貼片、放在人體上的汗液生物傳感器，直接在排汗時立即對汗液進行分析。

完全整合的多任務汗液感測系統(tǒng)

Javey的團隊開發(fā)了一種完全整合的多任務汗液感測系統(tǒng)，將塑料材料的傳感器做為與皮膚之間的接口，而柔性電路板上的硅芯片則執(zhí)行復雜的信號處理；如下圖所示，該團隊開發(fā)的汗液傳感器數(shù)組包含兩種代謝物傳感器(檢測葡萄糖與乳酸)、兩種電解質傳感器(檢測鈉離子與鉀)，以及一個皮膚溫度傳感器。

Javey并分享了該系統(tǒng)能進行多任務人體量測的信號傳導、處理與無線傳輸路徑(如下圖)；最終收集到的數(shù)據(jù)會以無線方式傳輸?shù)绞謾C，透過專屬應用程序顯示：“我們開發(fā)了傳感器，但沒有開發(fā)必備的信號處理芯片，是在柔性電路板上采用現(xiàn)成的微控制器以及其他組件。”

柔性電路板上需要做哪種信號處理？Javey解釋，雖然每個傳感器都能維持優(yōu)異的敏感性，但事實證明溫度以及酸堿(pH)值仍會對這種安培酶(amperometricenzymatic)傳感器的性能造成很大影響：“為了達成更精確的量測，我們需要進行實時校正(calibration)以及信號補償，”這就是信號處理所需之處。

目前Javey團隊開發(fā)的系統(tǒng)是以柔性電路板制作，他設想未來完全整合的多任務汗液傳感器將是能實現(xiàn)更實用、同步化之多重汗液生物標記檢測信息的終極關鍵；Javey并指出，他們采用的現(xiàn)成藍牙低功耗芯片與微控制器，都稍嫌大材小用，未來應會演變成定制化單芯片。