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“人體大數據(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)水平監測個人健康狀況。”

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，這些智能醫療設備似乎與現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測。

數據采集仍然是最大的挑戰；為此各家廠商爭相開發超低功耗、柔性、印刷式電子組件，以催生能持續監測使用者健康狀況并能以非侵入式方法實時采集人體數據的設備。

在今年IEDM發表的多篇論文，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測人體”。

不同于傳統的可穿戴設備，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，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。”

其他發現還包括，汗液中的乙醇與葡萄糖據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

Javey的團隊開發了一種完全整合的多任務汗液感測系統，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行復雜的信號處理；如下圖所示，該團隊開發的汗液傳感器數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)；最終收集到的數據會以無線方式傳輸到手機，透過專屬應用程序顯示：“我們開發了傳感器，但沒有開發必備的信號處理芯片，是在柔性電路板上采用現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團隊開發的系統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。