目前穿戴式设备基本是用来监测心率、呼吸、血压和体动的，是通过陀螺仪、加速器、光学传感器等来获取人体的物理信息。今天震锋笔记来介绍一种可穿戴电化学-生物传感器，能连续分析锻炼和休息时汗液中多种代谢物和营养素的痕量水平，包括所有的必需氨基酸和维生素。该生物传感器由可在原位重复再生的石墨烯电极、代谢物特异性抗体样分子印迹聚合物和氧化还原活性纳米粒子组成，并整合了基于离子电渗疗法的汗液诱导、微流体汗液采样、信号处理、标定和无线通讯等技术。
循环营养素是整体健康和身体机能的基本指标。氨基酸 (AA) 源自膳食中摄入和肠道微生物群的合成，并受个人生活方式的影响，是许多健康状况的重要生物标志物（图1a）。升高的支链氨基酸 (BCAA)，包括亮氨酸 (Leu)、异亮氨酸 (Ile) 、缬氨酸 (Val)与肥胖、胰岛素抵抗、未来患 2 型糖尿病 (T2DM)、心血管疾病 (CVD) 和胰腺癌的风险有相关性。缺乏氨基酸（例如精氨酸和半胱氨酸）可能会降低免疫细胞的活性，从而影响免疫系统。色氨酸 (Trp)、酪氨酸 (Tyr) 和苯丙氨酸 (Phe) 分别是血清素和儿茶酚胺神经递质（多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素）的前体，在复杂神经系统的功能和心理健康中发挥重要作用。
图1. 可穿戴生物传感器“NutriTrek”的示意图。a , AAs 等循环营养素与各种生理和代谢状况有关。b，可穿戴“NutriTrek”的示意图，它通过 LEG、RAR 和人工抗体的协同融合实现代谢监测。用于汗液诱导、采样和生物传感的微流体“NutriTrek”贴片的示意图 ( c ) 和层组装 ( d )。柔性传感器贴片 ( e ) 和皮肤接口可穿戴系统 ( f ) 的图像。g， “NutriTrek”电子系统框图。智能手表版本中包含红色虚线框出的模块。i，带有一次性传感器贴片和电泳显示器的“NutriTrek”智能手表。
汗液是一种重要的体液，含有丰富的反映营养和代谢状况的化学物质。从血液分析发展到可穿戴汗液的非侵入性和持续监测，给我们了解对人类身体健康至关重要的生理生物标志物提供了巨大潜力。然而，目前报道的可穿戴电化学传感器主要关注包括电解质、葡萄糖和乳酸，而汗液中大多数与临床相关的营养素和代谢物很少被探索，也无法被现有的可穿戴传感技术检测到。此外，目前的可穿戴生物传感器通常需要剧烈运动才能获得汗液。尽管最近有一些报告使用基于毛果芸香碱凝胶的离子电渗疗法进行久坐后的汗液采样，但由于汗液和凝胶液的混合以及缺乏动态汗液采样，这种方法的出汗采集周期短且传感精度低。
这种可穿戴电化学生物传感器，其生物传感策略基于可大规模生产的激光雕刻石墨烯 (LEG)、电化学合成的氧化还原活性纳米分子 (RAR) 和基于分子印迹聚合物 (MIP) 的“人工抗体”的高科技组合，并有独特的原位再生和校准技术（图1b）。与基于抗体或经典 MIP 的生物亲和传感器不同，后者通常只能一次性使用，需要多次洗涤步骤才能在标准离子溶液中转换生物亲和相互作用。该系统能够证明对生物流体中各种痕量生物标志物的灵敏度、选择性并连续监测，包括所有九种必需氨基酸以及人体汗液中常见的维生素、代谢物和脂质。这种独特的方法与原位信号处理和无线通信的无缝集成了强大的可穿戴汗液传感设备“NutriTrek”，能够进行个性化和非侵入性的代谢和营养物质监测，以便及时干预（图1b )。基于卡巴胆碱离子电渗疗法的汗液诱导和基于微流体的高效周围汗液采样的结合，可以在体育锻炼和休息期间，在各种活动中进行长时间的自动和连续分析，具有高时间分辨率和准确性。使用五种必需或条件必需的氨基酸（即 Trp、Try 、Leu、Ile 和 Val））作为样本营养素，通过招募健康受试者和患者进行中枢疲劳、标准膳食摄入量、营养状况、代谢综合征风险和 COVID-19 严重程度的个性化监测，在几项人体试验中均验证了该系统。
