目前穿戴式設(shè)備基本是用來監(jiān)測心率、呼吸、血壓和體動的，是通過陀螺儀、加速器、光學(xué)傳感器等來獲取人體的物理信息。今天震鋒筆記來介紹一種可穿戴電化學(xué)-生物傳感器，能連續(xù)分析鍛煉和休息時(shí)汗液中多種代謝物和營養(yǎng)素的痕量水平，包括所有的必需氨基酸和維生素。該生物傳感器由可在原位重復(fù)再生的石墨烯電極、代謝物特異性抗體樣分子印跡聚合物和氧化還原活性納米粒子組成，并整合了基于離子電滲療法的汗液誘導(dǎo)、微流體汗液采樣、信號處理、標(biāo)定和無線通訊等技術(shù)。
循環(huán)營養(yǎng)素是整體健康和身體機(jī)能的基本指標(biāo)。氨基酸 (AA) 源自膳食中攝入和腸道微生物群的合成，并受個(gè)人生活方式的影響，是許多健康狀況的重要生物標(biāo)志物（圖1a）。升高的支鏈氨基酸 (BCAA)，包括亮氨酸 (Leu)、異亮氨酸 (Ile) 、纈氨酸 (Val)與肥胖、胰島素抵抗、未來患 2 型糖尿病 (T2DM)、心血管疾病 (CVD) 和胰腺癌的風(fēng)險(xiǎn)有相關(guān)性。缺乏氨基酸（例如精氨酸和半胱氨酸）可能會降低免疫細(xì)胞的活性，從而影響免疫系統(tǒng)。色氨酸 (Trp)、酪氨酸 (Tyr) 和苯丙氨酸 (Phe) 分別是血清素和兒茶酚胺神經(jīng)遞質(zhì)（多巴胺、去甲腎上腺素和腎上腺素）的前體，在復(fù)雜神經(jīng)系統(tǒng)的功能和心理健康中發(fā)揮重要作用。
圖1. 可穿戴生物傳感器“NutriTrek”的示意圖。a , AAs 等循環(huán)營養(yǎng)素與各種生理和代謝狀況有關(guān)。b，可穿戴“NutriTrek”的示意圖，它通過 LEG、RAR 和人工抗體的協(xié)同融合實(shí)現(xiàn)代謝監(jiān)測。用于汗液誘導(dǎo)、采樣和生物傳感的微流體“NutriTrek”貼片的示意圖 ( c ) 和層組裝 ( d )。柔性傳感器貼片 ( e ) 和皮膚接口可穿戴系統(tǒng) ( f ) 的圖像。g， “NutriTrek”電子系統(tǒng)框圖。智能手表版本中包含紅色虛線框出的模塊。i，帶有一次性傳感器貼片和電泳顯示器的“NutriTrek”智能手表。
汗液是一種重要的體液，含有豐富的反映營養(yǎng)和代謝狀況的化學(xué)物質(zhì)。從血液分析發(fā)展到可穿戴汗液的非侵入性和持續(xù)監(jiān)測，給我們了解對人類身體健康至關(guān)重要的生理生物標(biāo)志物提供了巨大潛力。然而，目前報(bào)道的可穿戴電化學(xué)傳感器主要關(guān)注包括電解質(zhì)、葡萄糖和乳酸，而汗液中大多數(shù)與臨床相關(guān)的營養(yǎng)素和代謝物很少被探索，也無法被現(xiàn)有的可穿戴傳感技術(shù)檢測到。此外，目前的可穿戴生物傳感器通常需要?jiǎng)×疫\(yùn)動才能獲得汗液。盡管最近有一些報(bào)告使用基于毛果蕓香堿凝膠的離子電滲療法進(jìn)行久坐后的汗液采樣，但由于汗液和凝膠液的混合以及缺乏動態(tài)汗液采樣，這種方法的出汗采集周期短且傳感精度低。
這種可穿戴電化學(xué)生物傳感器，其生物傳感策略基于可大規(guī)模生產(chǎn)的激光雕刻石墨烯 (LEG)、電化學(xué)合成的氧化還原活性納米分子 (RAR) 和基于分子印跡聚合物 (MIP) 的“人工抗體”的高科技組合，并有獨(dú)特的原位再生和校準(zhǔn)技術(shù)（圖1b）。與基于抗體或經(jīng)典 MIP 的生物親和傳感器不同，后者通常只能一次性使用，需要多次洗滌步驟才能在標(biāo)準(zhǔn)離子溶液中轉(zhuǎn)換生物親和相互作用。該系統(tǒng)能夠證明對生物流體中各種痕量生物標(biāo)志物的靈敏度、選擇性并連續(xù)監(jiān)測，包括所有九種必需氨基酸以及人體汗液中常見的維生素、代謝物和脂質(zhì)。這種獨(dú)特的方法與原位信號處理和無線通信的無縫集成了強(qiáng)大的可穿戴汗液傳感設(shè)備“NutriTrek”，能夠進(jìn)行個(gè)性化和非侵入性的代謝和營養(yǎng)物質(zhì)監(jiān)測，以便及時(shí)干預(yù)（圖1b )?；诳ò湍憠A離子電滲療法的汗液誘導(dǎo)和基于微流體的高效周圍汗液采樣的結(jié)合，可以在體育鍛煉和休息期間，在各種活動中進(jìn)行長時(shí)間的自動和連續(xù)分析，具有高時(shí)間分辨率和準(zhǔn)確性。使用五種必需或條件必需的氨基酸（即 Trp、Try 、Leu、Ile 和 Val））作為樣本營養(yǎng)素，通過招募健康受試者和患者進(jìn)行中樞疲勞、標(biāo)準(zhǔn)膳食攝入量、營養(yǎng)狀況、代謝綜合征風(fēng)險(xiǎn)和 COVID-19 嚴(yán)重程度的個(gè)性化監(jiān)測，在幾項(xiàng)人體試驗(yàn)中均驗(yàn)證了該系統(tǒng)。
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