當前已經存在諸多離子檢測手段，且其在長期應用實踐中的發展已十分成熟，能夠實現不同離子種類及離子濃度的高精準度監測。然而，為了適應現代智慧醫療要求，具有良好便攜性、低操作難度、高檢測效率的便攜式離子持續監測手段亟待發展，而現有檢測手段在這方面受檢測原理等因素影響，遠未能達到實時、長期的健康監測的要求。近年來，小型化便攜式離子持續監測技術已取得一定突破，其中高靈敏度、高特異度的微型離子傳感元器件及小型化低功耗的驅動測量電路成為了該方面技術的主要研究內容。該文從前端的高性能離子傳感器及后端高集成度的驅動測量電路入手，總結了目前小型化便攜式離子持續監測技術的發展，對其應用進行了闡述，并展望了便攜式離子監測技術在未來可能的發展方向。
引用本文： 吳非, 舒星研, 張凌, 黃偉. 小型化便攜式離子持續監測技術的發展與應用. 華西醫學, 2024, 39(7): 1023-1027. doi: 10.7507/1002-0179.202406033 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《華西醫學》版權所有，未經授權不得轉載、改編
離子在人體的健康維持中起著至關重要的作用，人體通過各種離子來調節血壓、血液 pH 值以及維持滲透壓；此外，人體的神經活動、肌肉收縮等生理活動也依賴離子的作用[1]。因此，體液中的離子濃度可以為醫療、生理領域的檢測與監測提供重要信息，例如血液中的氯離子、銨根離子是檢測腎臟生理調節能力的重要生物標志物[2-3]。離子選擇性電極（ion-selective electrode, ISE）作為監測各種離子的成熟手段，被長期應用于各個領域，目前醫院等場所進行的離子種類與濃度檢測大多采用基于 ISE 的羅氏電解質分析儀或者 i-STAT 血氣分析儀，這類測試方法不僅需要相對大型且昂貴的專業儀器，而且需要專業人員操作，還會耗費大量時間[4]，導致難以及時獲取檢測結果。同時，相關離子濃度的檢測一般通過重復的抽血化驗獲得，對危重病患者造成巨大的負擔[5]，且醫生及患者均難以隨時了解患者的離子種類及濃度，無法對健康狀況進行及時評估。因此，亟需開發能夠保證檢測準確性的小型化便攜式離子監測技術，且其操作流程應能夠足夠簡單，足以讓未經過專業訓練的人員（如患者自身）能夠快速掌握。開發以此為基本特性的離子監測技術，將能夠有效提升關鍵離子濃度的監測，為人口老齡化等社會問題提供多維的技術支撐手段。基于以上需求，近年來多種新型離子監測技術的開發已成為研究熱點，這種新型傳感技術涉及材料、電子、儀器及醫學等學科，具有典型的醫工交叉特點。因此，開發小型化便攜式的離子監測技術，不僅將為人體關鍵離子參數提供方便快捷的技術手段，同時能夠促進多學科的融合發展。本文將介紹小型化便攜式離子持續監測技術近年來的研發進展，主要討論了前端離子傳感器與后端驅動測量電路的發展，并對現有應用局限和未來發展方向進行了總結。
1 離子傳感器
能夠實現離子傳感功能的傳感器種類繁多，技術路線多樣，而其中能夠實現小型化便攜式傳感功能的用于離子檢測的傳感器可大致分為傳統電化學傳感器和基于晶體管的離子傳感器 2 種。其中基于有機電化學晶體管（organic electrochemical transistor, OECT）的離子傳感器以其高靈敏度、高集成度、低工作電壓等特性成為構建小型化便攜式離子持續監測系統的首選。
1.1 電化學離子傳感器
在眾多電化學離子傳感器中，羅氏電解質分析儀是一種常用的離子檢測儀器，被廣泛應用于臨床醫療和科研實驗室等場景，可以快速準確檢測各種離子濃度，但此儀器通常體積較大，操作維護復雜，難以應用于居家檢測和便攜式檢測等領域。羅氏電解質分析儀通常基于 ISE 技術，通過在電極上修飾離子選擇性膜，只允許指定的離子通過該選擇性膜，從而產生相應的響應電勢，再由后端電路對響應電勢進行測量和計算即可得出待測離子濃度[2]。Hjort 等[6]報道了一種基于疏水激光誘導石墨烯和 ISE 的硝酸鹽離子傳感器，因出色的疏水性［靜態接觸角為（135.5±0.7）°］和靈敏度［檢測限低至（6.01±1.44）μM］被廣泛應用于地表水質檢測。此傳感器具有較好的穩定性，在待測水樣品中存放 5 周后性能未產生顯著差異，缺點是需要使用恒電位儀測量，儀器尺寸較大。除了 ISE 外，也有學者基于傳統電化學方法設計了離子傳感器，Ruslan 等[7]基于杯芳烴設計出了一種金屬離子電化學檢測方法，使用差分脈沖伏安法對鋅、銅和鐵離子進行了響應測試，檢測限分別為 6.19 ng/L、3.02 mg/L 和 2.79 mg/L，實現了較靈敏的分辨率。然而，不論是基于 ISE 的羅氏電解質分析儀，還是基于傳統電化學技術的離子傳感器，都需要較嚴苛的測試環境和測試流程，不適合設計小型化便攜式傳感器。
1.2 晶體管離子傳感器
近年來，基于晶體管的離子傳感器層出不窮，晶體管離子傳感器的發展大致經歷了以下幾個階段[2]（圖1）：① 離子選擇性場效應晶體管；② 離子選擇性電解質門控有機場效應晶體管；③ 離子選擇性 OECT；④ 集成離子選擇性 OECT 陣列；⑤ 可穿戴離子選擇性電化學傳感器。
圖1
離子傳感器發展階段
離子選擇性場效應晶體管由參比電極、分析物電解液、柵極絕緣體、溝道材料、源極、漏極和襯底組成，能在檢測離子時放大檢測信號，從而被廣泛應用于離子傳感領域[8]。Park 等[9]設計了基于碳納米管的離子敏感場效應晶體管傳感器，使用離子選擇性膜功能化修飾碳納米管表面，實現了對 0.1～100 mM 濃度范圍的鈉離子的準確檢測，且對其他干擾離子（如鉀離子、鈣離子、鎂離子等）具有較好的選擇性。離子選擇性電解質門控有機場效應晶體管和 OECT 的器件結構相似（柵極、分析物、離子選擇性膜、電解液、溝道材料、源極和漏極），但 OECT 具有更高的跨導，可以實現更高的信號放大功能和更低的檢測限；同時 OECT 驅動電壓更低（小于 1 V），生物兼容性更好，是目前高性能離子傳感器的最優選擇[10-11]。基于此，Clua Estivill 等[12]設計了一種紙基離子選擇性 OECT，實現了 2.5 mA/decade 的電流靈敏度，比截至論文發布時間報道的其他類似器件高出了一個數量級，并且可以在高濃度鹽水下檢測低濃度鉀離子，檢測線性范圍為 0.1～100 mM，覆蓋了臨床檢測范圍。除了人體離子檢測外，Strand 等[13]還設計了一種全印刷工藝制備的離子選擇性 OECT，實現了對植物生理液中的鉀離子精確檢測，該傳感器靈敏度為 170 μA/decade，檢測下限低至 10×10?6 M；此外通過將離子選擇性 OECT 用于植物生理檢測，還能有效提高農業和生態應用的植物健康監測效率。同時，隨著垂直結構 OECT 的出現，進一步提高了其跨導（大于 10 mS），優化了 OECT 的性能[14]。而由 OECT 集成的離子傳感器陣列，則具有更穩定的性能和同時檢測多種離子的能力，使其商業化成為可能[15]。Koutsouras 等[16]設計了集成式離子選擇性 OECT，一部分通道覆蓋鈉離子選擇性膜，另一部分通道覆蓋鉀離子選擇性膜，實現了在同一溶液中同時對鈉離子和鉀離子的快速檢測（低至幾十秒），最大跨導分別約為 0.8 mS 和 1.5 mS，檢測濃度范圍為 10?7～10?3 M。
當前基于晶體管的離子傳感器開發是一大研究熱點，為實現進一步的商業化，其穩定性、可靠性、一致性等還需進一步提升，同時其制備成本也是其商業化過程中需要關注的一大重要因素。
2 后端驅動電路
要研發出小型化便攜式離子持續監測系統，穩定可靠的前端高性能離子傳感器固然十分重要，但相應的驅動測量電路也是影響整個系統可靠性和準確性的關鍵因素。因此，設計優秀的驅動測量電路，不僅可以保證傳感器工作的穩定性，提高檢測準確率，還可以減小電路板面積，實現進一步小型化與低功耗化。后端驅動測量電路主要為傳感器提供能量、讀取傳感器輸出信號以及對信號進行調理、處理，而便攜式監測的目標對后端驅動測量電路的體積及性能等方面提出了新的要求。然而，針對離子傳感的后端驅動測量電路發展較緩，已報道文獻中還未出現直接針對離子傳感器，特別是晶體管離子傳感器的小型化便攜式驅動測量電路。因此，本部分將主要介紹基于與上述傳感器相似工作原理的其他傳感器的可穿戴生理監測后端驅動測量電路設計，這些設計對用于便攜式離子監測的傳感器后端驅動電路具有直接的指導意義。
2021 年，Liu 等[17]報道了一種基于 OECT 的快速、低成本、手持式冠狀病毒免疫球蛋白 G 監測平臺，有望用于冠狀病毒感染的診斷與預后檢測。該平臺利用制備在聚對苯二甲酸乙二酯襯底上的修飾柵極的 OECT 進行免疫球蛋白 G 的檢測，驅動電路部分的核心為一個微控制器，微控制器控制數模轉換器提供電壓驅動 OECT，模數轉換器用于將處理后的模擬信號轉換為數字信號用于讀取，微控制器通過板載無線收發器來實現與移動設備之間的數據發送與接收。該平臺提供了一個十分典型的后端驅動電路模板，該模板由以下部分組成（圖2）：① 微控制器：通過編程來控制其他芯片的工作狀態，還可以進行一些簡單的信號、數據處理；② 信號處理電路：由數模轉換器、模數轉換器和運算放大器等芯片組成，負責進行模擬信號與數字信號之間的轉換以及放大、濾波等信號處理；③ 通信模塊：負責與移動設備進行通信，以實現監測結果的實時顯示，通常采用藍牙、WiFi 等方式。
圖2
測量系統框圖
為了增強監測系統的便攜性，該驅動測量電路還可制備在柔性電路板上。例如，Emaminejad 等[18]通過集成在可穿戴汗液分析平臺中的電化學增強離子電泳接口，實現了周期性地誘導出汗并對汗液中氯離子、鈉離子等離子進行實時分析，以進行囊性纖維化診斷。Bai 等[19]研發了一種基于 OECT 的可穿戴的持續血糖監測系統，該系統由一種 3D 打印的微針陣列來進行皮下血糖采樣，經由 OECT 傳感器進行血糖傳感與信號放大，最后通過后端電路讀取 OECT 輸出信號，并將處理后的信號發送至移動設備。與普通的印制電路板相比，柔性電路板可以更好地與人體皮膚貼合，減少了對人體正常行動的影響，而且其重量更輕，有利于減輕使用者負擔，對于長期連續監測意義重大。
另外，在后端驅動電路的設計中，供電方式也是影響系統尺寸的一個重要因素，大多數驅動電路均采用了外部供電設計，如通過鋰電池、紐扣電池以及有線供電等方式提供能量，為了追求更小的系統體積，一些研究人員選擇放棄電池，轉而使用一些其他類型的供電方式。例如，Ouyang 等[20]設計了一種射頻供電的利用印刷有機場效應晶體管芯片用于離子傳感，該系統利用噴墨打印的有機場效應晶體管作為感應電極，每次傳輸數據時利用手機的近場無線通信技術，通過射頻識別芯片為系統提供能量，通過 4 個通道的 8 位數模轉換器與模數轉換器為有機場效應晶體管提供參考電壓與讀取測量信號，減少了電池及其他供電方式的占用體積，大大增強了系統的便攜性。
3 結語
目前在小型化便攜式離子持續監測領域，大部分學者主要致力于離子檢測傳感器的研究，已經設計出了很多性能優異的離子檢測傳感器。但要真正研發出小型化便攜式以及可穿戴的離子檢測系統，針對離子傳感器的驅動測量電路同樣需要進一步的研究以真正實現小型化、便攜式以及實時監測功能。該研究方向將主要包括以下幾個方面：① 智能化：當今人工智能技術發展日益成熟，如何將人工智能技術與離子傳感器結合，實現具有高級信息處理能力的智能傳感器是推動傳感器進步的一大重要主題；② 小型化：目前可穿戴傳感器整體系統最小尺寸基本為厘米級別，構建毫米級別的傳感器系統，既有助于提高穿戴舒適性和便攜性，也可進一步發展為植入式微型傳感器；③ 無源化：在保持尺寸的情況下足夠的能量供應一直是小型便攜式傳感器面臨的一大重要挑戰，而基于能量收集的無源供能系統則是解決此問題的重要關鍵；基于人體入手獲取能量，如熱能、化學能、動能，也可以研究從體外無線能量場獲取能量，如光能、電磁能、超聲波等；④ 生物兼容性：大部分離子傳感器會與被測人員的皮膚甚至體液直接接觸，因此要求傳感器系統具有足夠好的生物兼容性，不會對人體產生不良影響。期望在智能化、小型化、無源化以及生物兼容性等方面的進一步提升下，新型離子監測技術在未來幾年能夠逐步進入大眾消費市場，為我國人民生命健康提供進一步保障，為醫療技術水平的發展助力。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
離子在人體的健康維持中起著至關重要的作用，人體通過各種離子來調節血壓、血液 pH 值以及維持滲透壓；此外，人體的神經活動、肌肉收縮等生理活動也依賴離子的作用[1]。因此，體液中的離子濃度可以為醫療、生理領域的檢測與監測提供重要信息，例如血液中的氯離子、銨根離子是檢測腎臟生理調節能力的重要生物標志物[2-3]。離子選擇性電極（ion-selective electrode, ISE）作為監測各種離子的成熟手段，被長期應用于各個領域，目前醫院等場所進行的離子種類與濃度檢測大多采用基于 ISE 的羅氏電解質分析儀或者 i-STAT 血氣分析儀，這類測試方法不僅需要相對大型且昂貴的專業儀器，而且需要專業人員操作，還會耗費大量時間[4]，導致難以及時獲取檢測結果。同時，相關離子濃度的檢測一般通過重復的抽血化驗獲得，對危重病患者造成巨大的負擔[5]，且醫生及患者均難以隨時了解患者的離子種類及濃度，無法對健康狀況進行及時評估。因此，亟需開發能夠保證檢測準確性的小型化便攜式離子監測技術，且其操作流程應能夠足夠簡單，足以讓未經過專業訓練的人員（如患者自身）能夠快速掌握。開發以此為基本特性的離子監測技術，將能夠有效提升關鍵離子濃度的監測，為人口老齡化等社會問題提供多維的技術支撐手段。基于以上需求，近年來多種新型離子監測技術的開發已成為研究熱點，這種新型傳感技術涉及材料、電子、儀器及醫學等學科，具有典型的醫工交叉特點。因此，開發小型化便攜式的離子監測技術，不僅將為人體關鍵離子參數提供方便快捷的技術手段，同時能夠促進多學科的融合發展。本文將介紹小型化便攜式離子持續監測技術近年來的研發進展，主要討論了前端離子傳感器與后端驅動測量電路的發展，并對現有應用局限和未來發展方向進行了總結。
1 離子傳感器
能夠實現離子傳感功能的傳感器種類繁多，技術路線多樣，而其中能夠實現小型化便攜式傳感功能的用于離子檢測的傳感器可大致分為傳統電化學傳感器和基于晶體管的離子傳感器 2 種。其中基于有機電化學晶體管（organic electrochemical transistor, OECT）的離子傳感器以其高靈敏度、高集成度、低工作電壓等特性成為構建小型化便攜式離子持續監測系統的首選。
1.1 電化學離子傳感器
在眾多電化學離子傳感器中，羅氏電解質分析儀是一種常用的離子檢測儀器，被廣泛應用于臨床醫療和科研實驗室等場景，可以快速準確檢測各種離子濃度，但此儀器通常體積較大，操作維護復雜，難以應用于居家檢測和便攜式檢測等領域。羅氏電解質分析儀通常基于 ISE 技術，通過在電極上修飾離子選擇性膜，只允許指定的離子通過該選擇性膜，從而產生相應的響應電勢，再由后端電路對響應電勢進行測量和計算即可得出待測離子濃度[2]。Hjort 等[6]報道了一種基于疏水激光誘導石墨烯和 ISE 的硝酸鹽離子傳感器，因出色的疏水性［靜態接觸角為（135.5±0.7）°］和靈敏度［檢測限低至（6.01±1.44）μM］被廣泛應用于地表水質檢測。此傳感器具有較好的穩定性，在待測水樣品中存放 5 周后性能未產生顯著差異，缺點是需要使用恒電位儀測量，儀器尺寸較大。除了 ISE 外，也有學者基于傳統電化學方法設計了離子傳感器，Ruslan 等[7]基于杯芳烴設計出了一種金屬離子電化學檢測方法，使用差分脈沖伏安法對鋅、銅和鐵離子進行了響應測試，檢測限分別為 6.19 ng/L、3.02 mg/L 和 2.79 mg/L，實現了較靈敏的分辨率。然而，不論是基于 ISE 的羅氏電解質分析儀，還是基于傳統電化學技術的離子傳感器，都需要較嚴苛的測試環境和測試流程，不適合設計小型化便攜式傳感器。
1.2 晶體管離子傳感器
近年來，基于晶體管的離子傳感器層出不窮，晶體管離子傳感器的發展大致經歷了以下幾個階段[2]（圖1）：① 離子選擇性場效應晶體管；② 離子選擇性電解質門控有機場效應晶體管；③ 離子選擇性 OECT；④ 集成離子選擇性 OECT 陣列；⑤ 可穿戴離子選擇性電化學傳感器。
圖1
離子傳感器發展階段
離子選擇性場效應晶體管由參比電極、分析物電解液、柵極絕緣體、溝道材料、源極、漏極和襯底組成，能在檢測離子時放大檢測信號，從而被廣泛應用于離子傳感領域[8]。Park 等[9]設計了基于碳納米管的離子敏感場效應晶體管傳感器，使用離子選擇性膜功能化修飾碳納米管表面，實現了對 0.1～100 mM 濃度范圍的鈉離子的準確檢測，且對其他干擾離子（如鉀離子、鈣離子、鎂離子等）具有較好的選擇性。離子選擇性電解質門控有機場效應晶體管和 OECT 的器件結構相似（柵極、分析物、離子選擇性膜、電解液、溝道材料、源極和漏極），但 OECT 具有更高的跨導，可以實現更高的信號放大功能和更低的檢測限；同時 OECT 驅動電壓更低（小于 1 V），生物兼容性更好，是目前高性能離子傳感器的最優選擇[10-11]。基于此，Clua Estivill 等[12]設計了一種紙基離子選擇性 OECT，實現了 2.5 mA/decade 的電流靈敏度，比截至論文發布時間報道的其他類似器件高出了一個數量級，并且可以在高濃度鹽水下檢測低濃度鉀離子，檢測線性范圍為 0.1～100 mM，覆蓋了臨床檢測范圍。除了人體離子檢測外，Strand 等[13]還設計了一種全印刷工藝制備的離子選擇性 OECT，實現了對植物生理液中的鉀離子精確檢測，該傳感器靈敏度為 170 μA/decade，檢測下限低至 10×10?6 M；此外通過將離子選擇性 OECT 用于植物生理檢測，還能有效提高農業和生態應用的植物健康監測效率。同時，隨著垂直結構 OECT 的出現，進一步提高了其跨導（大于 10 mS），優化了 OECT 的性能[14]。而由 OECT 集成的離子傳感器陣列，則具有更穩定的性能和同時檢測多種離子的能力，使其商業化成為可能[15]。Koutsouras 等[16]設計了集成式離子選擇性 OECT，一部分通道覆蓋鈉離子選擇性膜，另一部分通道覆蓋鉀離子選擇性膜，實現了在同一溶液中同時對鈉離子和鉀離子的快速檢測（低至幾十秒），最大跨導分別約為 0.8 mS 和 1.5 mS，檢測濃度范圍為 10?7～10?3 M。
當前基于晶體管的離子傳感器開發是一大研究熱點，為實現進一步的商業化，其穩定性、可靠性、一致性等還需進一步提升，同時其制備成本也是其商業化過程中需要關注的一大重要因素。
2 后端驅動電路
要研發出小型化便攜式離子持續監測系統，穩定可靠的前端高性能離子傳感器固然十分重要，但相應的驅動測量電路也是影響整個系統可靠性和準確性的關鍵因素。因此，設計優秀的驅動測量電路，不僅可以保證傳感器工作的穩定性，提高檢測準確率，還可以減小電路板面積，實現進一步小型化與低功耗化。后端驅動測量電路主要為傳感器提供能量、讀取傳感器輸出信號以及對信號進行調理、處理，而便攜式監測的目標對后端驅動測量電路的體積及性能等方面提出了新的要求。然而，針對離子傳感的后端驅動測量電路發展較緩，已報道文獻中還未出現直接針對離子傳感器，特別是晶體管離子傳感器的小型化便攜式驅動測量電路。因此，本部分將主要介紹基于與上述傳感器相似工作原理的其他傳感器的可穿戴生理監測后端驅動測量電路設計，這些設計對用于便攜式離子監測的傳感器后端驅動電路具有直接的指導意義。
2021 年，Liu 等[17]報道了一種基于 OECT 的快速、低成本、手持式冠狀病毒免疫球蛋白 G 監測平臺，有望用于冠狀病毒感染的診斷與預后檢測。該平臺利用制備在聚對苯二甲酸乙二酯襯底上的修飾柵極的 OECT 進行免疫球蛋白 G 的檢測，驅動電路部分的核心為一個微控制器，微控制器控制數模轉換器提供電壓驅動 OECT，模數轉換器用于將處理后的模擬信號轉換為數字信號用于讀取，微控制器通過板載無線收發器來實現與移動設備之間的數據發送與接收。該平臺提供了一個十分典型的后端驅動電路模板，該模板由以下部分組成（圖2）：① 微控制器：通過編程來控制其他芯片的工作狀態，還可以進行一些簡單的信號、數據處理；② 信號處理電路：由數模轉換器、模數轉換器和運算放大器等芯片組成，負責進行模擬信號與數字信號之間的轉換以及放大、濾波等信號處理；③ 通信模塊：負責與移動設備進行通信，以實現監測結果的實時顯示，通常采用藍牙、WiFi 等方式。
圖2
測量系統框圖
為了增強監測系統的便攜性，該驅動測量電路還可制備在柔性電路板上。例如，Emaminejad 等[18]通過集成在可穿戴汗液分析平臺中的電化學增強離子電泳接口，實現了周期性地誘導出汗并對汗液中氯離子、鈉離子等離子進行實時分析，以進行囊性纖維化診斷。Bai 等[19]研發了一種基于 OECT 的可穿戴的持續血糖監測系統，該系統由一種 3D 打印的微針陣列來進行皮下血糖采樣，經由 OECT 傳感器進行血糖傳感與信號放大，最后通過后端電路讀取 OECT 輸出信號，并將處理后的信號發送至移動設備。與普通的印制電路板相比，柔性電路板可以更好地與人體皮膚貼合，減少了對人體正常行動的影響，而且其重量更輕，有利于減輕使用者負擔，對于長期連續監測意義重大。
另外，在后端驅動電路的設計中，供電方式也是影響系統尺寸的一個重要因素，大多數驅動電路均采用了外部供電設計，如通過鋰電池、紐扣電池以及有線供電等方式提供能量，為了追求更小的系統體積，一些研究人員選擇放棄電池，轉而使用一些其他類型的供電方式。例如，Ouyang 等[20]設計了一種射頻供電的利用印刷有機場效應晶體管芯片用于離子傳感，該系統利用噴墨打印的有機場效應晶體管作為感應電極，每次傳輸數據時利用手機的近場無線通信技術，通過射頻識別芯片為系統提供能量，通過 4 個通道的 8 位數模轉換器與模數轉換器為有機場效應晶體管提供參考電壓與讀取測量信號，減少了電池及其他供電方式的占用體積，大大增強了系統的便攜性。
3 結語
目前在小型化便攜式離子持續監測領域，大部分學者主要致力于離子檢測傳感器的研究，已經設計出了很多性能優異的離子檢測傳感器。但要真正研發出小型化便攜式以及可穿戴的離子檢測系統，針對離子傳感器的驅動測量電路同樣需要進一步的研究以真正實現小型化、便攜式以及實時監測功能。該研究方向將主要包括以下幾個方面：① 智能化：當今人工智能技術發展日益成熟，如何將人工智能技術與離子傳感器結合，實現具有高級信息處理能力的智能傳感器是推動傳感器進步的一大重要主題；② 小型化：目前可穿戴傳感器整體系統最小尺寸基本為厘米級別，構建毫米級別的傳感器系統，既有助于提高穿戴舒適性和便攜性，也可進一步發展為植入式微型傳感器；③ 無源化：在保持尺寸的情況下足夠的能量供應一直是小型便攜式傳感器面臨的一大重要挑戰，而基于能量收集的無源供能系統則是解決此問題的重要關鍵；基于人體入手獲取能量，如熱能、化學能、動能，也可以研究從體外無線能量場獲取能量，如光能、電磁能、超聲波等；④ 生物兼容性：大部分離子傳感器會與被測人員的皮膚甚至體液直接接觸，因此要求傳感器系統具有足夠好的生物兼容性，不會對人體產生不良影響。期望在智能化、小型化、無源化以及生物兼容性等方面的進一步提升下，新型離子監測技術在未來幾年能夠逐步進入大眾消費市場，為我國人民生命健康提供進一步保障，為醫療技術水平的發展助力。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
