天天熱頭條丨新型可穿戴傳感器可檢測人體汗液中多種化合物

目前，美國加州理工學院醫學工程副教授高偉(音譯)和同事喬安妮·威倫斯(JoAnne Willens)等人經過多年研發設計，現最新研制一款專注于醫療應用的可穿戴傳感器，該技術代表了迄今為止檢測最精確、最靈敏的技術迭代。

圖中是汗液監測傳感器，較大的彎曲部是刺激排汗的電極。

威倫斯說：“我們之前設計過可穿戴汗液傳感器，但有很多生物指標是需要檢測的，此前我們無法技術實現，也沒有更好的策略方案，之前設計的可穿戴汗液傳感器依賴嵌入其中的酶物質，來檢測有限數量的相關化合物，雖然傳感器中使用的抗體可探測到低濃度樣本中更多的化合成分，但該技術存在一個很大的缺點——傳感器中的抗體僅能使用一次，這將意味著該傳感器是高損耗裝置，實用性并不強。”

(相關資料圖)

最新設計的可穿戴傳感器進行了大幅升級，其中包括：分子印跡聚合物技術，分子印跡聚合物就像人造、可重復使用的抗體，為了更深入地介紹該傳感器是如何工作的，他們解釋稱，設想存在一個形狀像加號的物體，如果在該物體上傾倒硅橡膠，使橡膠變硬，然后再將分子從橡膠中分離出來，就會獲得一個加號形狀中空的橡膠塊，只有相同大小和形狀的物體才能很好地匹配這個中空結構，這就是分子印跡聚合物的工作原理，但大小規格要小很多。例如：如果人們想制造一個能檢測谷氨酰氨基酸的傳感器，就需要制備含有谷氨酰胺分子的聚合物，然后通過化學過程去除谷氨酰胺，這樣就會獲得一個帶孔的聚合物，形成與谷氨酰胺完全相同。

最新設計的可穿戴傳感器創新之處在于這種特殊條件形成的聚合物能與一種材料結合在一起，該材料在接觸人體汗液時，在施加電壓下會被氧化或者還原。

高偉設計的可穿戴傳感器創新之處在于這種特殊條件形成的聚合物能與一種材料結合在一起，該材料在接觸人體汗液時，在施加電壓下會被氧化或者還原。只要這些谷氨酰胺形狀的小孔處于打開狀態，汗液就會接觸到傳感器內層，并產生電信號。但當谷氨酰胺分子與聚合物接觸時，就會進入孔狀結構中。

當這些小孔被谷氨酰胺分子堵住，能接觸到內層汗液就會變少，相應的電信號也會變弱，通過監測電信號變化情況，研究人員可以推斷人體汗液中含有多少谷氨酰胺，谷氨酰胺越多，信號越弱，谷氨酰胺越少，信號則越強。

高偉說：“這種獨特策略使我們能檢測出人體所有9種必需氨基酸和多種維生素，我們可以持續監測，與抗體不同的是，傳感器中的聚合物可以很容易被‘清洗’，通過應用微弱的電信號來破壞目標分子或者清空它所在的孔。”

該傳感器第二個創新是微流體應用，這是一種利用不足0.25毫米直徑的微小通道操縱少量流體的技術，微流體技術允許傳感器在有微量汗液存在的情況下工作。

高偉指出，人體可以使用人工刺激的方式使藥物分子通過電流排出體外，但之前的傳感器需要更多的汗液，因此需要更多的電流，這可能會讓使用者感到不舒服，由于微流體和使用不同類型的藥物，新型傳感器僅需要較少的人體汗液，同時需要產生汗液的電流可能非常小。

一個谷氨酰胺分子正在滑入專門為其設計的洞狀結構中，這類似于伊藤潤二( Junji Ito)創作漫畫《阿彌殼斷層之怪》中的情節。

高偉說：“這種微流體設計允許我們使用較少的電流，我們可以使用幾十微安電流在幾分鐘的刺激作用下，產生相當于4-5小時產生的汗液。迄今為止，這種傳感器技術已在實驗室環境下的人體試驗中進行測試，我們希望未來進行更大范圍的測試應用。”

該方法能檢測到一些新的關鍵營養物質和代謝物，這樣我們可以監測自己吃食物的時候，觀察攝入營養物質的變化，它不僅監測營養物質，還能監測體內激素和藥物水平，還可以對多種健康狀況進行持續監測。

目前，這篇名為《可監測代謝物和營養物質的可穿戴電化學生物傳感器》的文章發表在8月15日出版的《自然生物醫學工程雜志》上。