汗液是一種重要的體液，含有大量反映營養和代謝狀況的化學物質。從血液分析到可穿戴汗液分析的進展可以為無創、連續監測對人類健康至關重要的生理生物標志物提供巨大潛力。然而，目前報道的可穿戴電化學傳感器主要關注有限數量的分析物，包括電解質、葡萄糖和乳酸，因為除了離子選擇性和酶電極或電活性分子的直接氧化之外缺乏合適的連續監測策略。因此，汗液中大多數臨床相關的營養物質和代謝物很少可以被現有的可穿戴傳感技術探索和檢測到。此外，目前的可穿戴生物傳感器通常需要劇烈運動才能獲得汗水。

據麥姆斯咨詢報道，基于此，來自美國加州理工學院以及加利福尼亞大學的研究人員開發了一種可穿戴電化學生物傳感器，該傳感器可用于連續分析人體在體育鍛煉和休息狀態時汗液中痕量水平的多種代謝物和營養物質，包括所有必需氨基酸和維生素，通過監測代謝物以實現在早期識別異常健康狀況，并促進精準營養物質補充等應用。該研究成果以“A wearable electrochemical biosensor for the monitoring of metabolites and nutrients”為題發表于nature biomedical engineering期刊。

圖1 可穿戴生物傳感器“NutriTrek”的示意圖

用于自主汗液感應、采樣、分析和校準的可穿戴系統設計

為了實現對身體的連續代謝和營養監測，研究人員設計的柔性傳感器貼片包括用于局部按需汗液感應的離子電滲模塊、用于高效汗液采樣的多入口微流控模塊、用于連續氨基酸（AA）分析的多路激光蝕刻石墨烯-分子印跡聚合物（LEG-MIP）汗液營養物質傳感器陣列，以及用于實時AA傳感器校準的基于LEG的溫度和電解質傳感器。考慮到運動期間的出汗率會影響某些生物標志物水平，研究人員利用汗液中Na?水平（與出汗率呈線性相關）來進一步校準營養物質水平以進行個性化分析。這種涉及兩步差分脈沖伏安法（DPV）掃描和溫度/電解質校準的獨特轉導策略，使研究人員能夠在傳感器使用期間連續獲得準確的汗液讀數。

圖2 用于自主汗液感應、采樣、分析和校準的可穿戴系統設計

為了使這種可穿戴技術可以廣泛適用，特別是可以適用于久坐不動的人，研究人員使用了一種定制設計的離子電滲療法模塊，該模塊由LEG陽極和陰極以及含有毒蕈堿劑卡巴膽堿的水凝膠組成，用于可持續的排汗。為了最大限度地提高低容量汗液采樣的效率并提高可穿戴傳感的時間分辨率，研究人員還精心設計了一個緊湊的柔性微流控模塊，以將汗液采樣區域與離子電滲凝膠隔離開來，并進行數值模擬以優化微流控模塊的幾何設計，包括關于儲液區幾何形狀的入口數量、角度跨度、方向和流動方向。通過對汗液誘導和采樣的優化設計，可以便捷地在局部誘導汗液，并在長時間內使用多入口微流控系統輕松采樣。研究結果發現，在0.15?μl?/min到3?μl?/min的生理出汗率范圍內，研究人員的可穿戴傳感器貼片可以提供對AA水平動態變化的可靠和準確的分析。

動態生理和營養監測可穿戴系統的評估

首先，研究人員通過在恒定負荷循環運動試驗期間感測受試者汗水中的色氨酸（Trp）和酪氨酸（Tyr）進行可穿戴系統的評估。來自傳感器的DPV數據與溫度和Na?傳感器讀數一起無線傳輸到移動應用程序，該應用程序使用定制開發的迭代基線校正算法自動提取氧化峰，并對汗液中的Tyr和Trp進行準確定量。由于血清素合成和支鏈氨基酸（BCAA）攝入，Trp和BCAA水平在運動過程中分別下降，且觀察到汗液Trp與BCAA的比率增加，該結果與相關血漿對應物的結果一致，有潛力作為中樞疲勞的指標。

圖3 針對延長生理和營養監測的活動的可穿戴系統評估

使用無線生物傳感器對代謝綜合征風險因素進行個性化監測

以腹部肥胖和胰島素抵抗為特征的代謝綜合征現在正在上升為發病和死亡的主要誘因，影響美國超過三分之一的成年人。循環BCAA水平升高可預測胰島素抵抗性肥胖和代謝綜合征，并與心血管疾病（CVD）和‖型糖尿病（T2DM）相關，這可能導致嚴重的COVID-19潛在并發癥。最近的研究表明，補充BCAA具有改善胰島素抵抗的潛在用途。監測必需營養物質水平的變化可提供對代謝綜合征風險的高度敏感的早期檢測，從而實現有效的個性化飲食干預。

為了探索將汗液中BCAA用作代謝綜合征非侵入性風險指標的可行性，研究人員進行了一項初步研究，以調查血清和汗液BCAA之間的相關性。研究人員選取了三組受試者：正常體重（I，n?=?10）、超重/肥胖（II，n?=?7）和T2DM肥胖（III，n?=?3）。研究顯示，在肥胖個體中發現更高的循環BCAA和T2DM3水平。考慮到BCAA在胰島素產生和抑制糖原分解方面的公認作用，研究人員還研究了健康受試者補充BCAA和膳食攝入后汗液中亮氨酸（Leu）/BCAA和血糖/胰島素的餐后反應。結果顯示，所有生物標志物在禁食期間保持穩定；蛋白質飲食攝入導致血糖和胰島素增加，而BCAA攝入僅導致胰島素快速增加。此外，對于具有不同代謝條件的受試者，攝入BCAA后，盡管在所有情況下都觀察到離子電滲汗液中Leu水平顯著增加，但汗液中的Leu水平變化不同，且健康受試者顯示出劇烈的百分比波動，而肥胖/T2DM的個體顯示出遲鈍的波動，這可能表明這些個體中BCAA的不同代謝階段。

圖4 使用LEG-MIP BCAA傳感器對代謝綜合征風險指標進行個性化監測

綜上所述，通過整合可大規模生產的LEG、電化學合成的氧化還原活性納米載體（RAR）和“人工抗體”，研究人員展示了一種強大的通用可穿戴生物傳感策略，可以實現對廣泛的生物標志物（包括所有必需的氨基酸、維生素、代謝物、脂質、激素和藥物）監測和可靠的原位再生，在代謝綜合征風險監測中具有很大的應用前景。此外，COVID-19陽性和COVID-19陰性血液樣本之間Leu水平的顯著差異表明了使用該技術進行COVID-19即時診斷和干預的潛力。此外，這種可穿戴技術可以通過持續監測循環生物標志物和實現個性化營養干預，在實現精準營養補充方面發揮關鍵作用。該技術還可以重新配置，以持續監測各種其他生物標志物，以實現廣泛的個性化預防、診斷和治療應用。