新型可穿戴传感器可检测人体汗液中的更多化合物

如果您曾经抽过血，无论是检查您的胆固醇、肾功能、激素水平、血糖，还是作为一般检查的一部分，您可能想知道为什么没有一种更简单、痛苦更少的方法。

现在可能有。加州理工学院 Cherng 医学工程系的一组研究人员推出了一种新的可穿戴传感器，该传感器可以检测人体汗液中甚至微量水平的许多常见营养素和生物化合物，这些营养素和生物化合物可以作为人类健康的指标。

该传感器技术是由高伟的实验室开发的，他是医学工程助理教授、Heritage Medical Research Institute 研究员，以及 Ronald 和 JoAnne Willens 学者。多年来，高博士的研究一直专注于医疗应用的可穿戴传感器，而这项最新工作代表了迄今为止最精确和最灵敏的迭代。

“我们以前做过可穿戴的汗液传感器，”他说。“我们想要检测的生物标志物太多了，但过去我们无法检测到。没有什么好办法。”

高说，他以前版本的汗液传感器依靠嵌入其中的酶来检测有限数量的相关化合物。虽然抗体可用于传感器以检测更多低浓度化合物，但该技术有一个很大的弱点：传感器中的抗体只能使用一次，这意味着传感器会磨损。

新的传感器技术包括高所说的分子印迹聚合物，它们就像人造的、可重复使用的抗体。想象一个形状像加号的假设对象，以描绘它们的工作方式。如果你把那个物体倒在上面，让橡胶变硬，然后把分子从橡胶中拉出来，你现在就得到了一块橡胶，里面有一个加号的空心。只有具有相同大小和形状的物体才能很好地适合空心。

分子印迹聚合物的工作方式相同，但规模要小得多。如果您想制造一种可以检测例如氨基酸谷氨酰胺的传感器，您可以制备内部含有谷氨酰胺分子的聚合物。然后，通过化学过程，去除谷氨酰胺，你就得到了一种聚合物，其中有孔洞，正是谷氨酰胺的形状。

高的创新是将这种特殊形成的聚合物与一种材料结合起来，这种材料在与人体汗液接触时在施加的电压下会被氧化或还原。只要这些谷氨酰胺形状的孔打开，汗水就会与传感器的内层接触并产生电信号。但是当谷氨酰胺分子与聚合物接触时，它们会滑入为它们制造的孔中。

随着这些孔被谷氨酰胺分子堵塞，更少的汗液能够接触到内层，电信号变得更弱。通过监测该电信号，研究人员可以推断出汗液中存在多少谷氨酰胺。更多的谷氨酰胺意味着更弱的信号。较少的谷氨酰胺导致更强的信号。

“这种独特的策略使我们能够检测所有九种必需氨基酸和多种维生素，”高说。“我们可以连续完成所有这些工作。”

与抗体不同的是，聚合物可以通过施加微弱的电信号来破坏目标分子或清空其所在的孔，从而轻松“清洁”以供重复使用。

高博士研究的第二个创新是使用微流体技术，这种技术利用小于四分之一毫米宽的微小通道来操纵少量流体。即使存在微量的汗水，微流体也允许传感器运行。

汗液传感器的一个版本。大的弯曲部分是刺激汗液产生的电极。图片来源：加州理工学院

高说，可以人为地刺激人体皮肤排出电流传递的药物分子，但以前的传感器需要更多的汗水，因此需要更多的电流，这可能会让用户感到不舒服。由于微流体和不同类型药物的使用，传感器现在需要更少的汗水，并且产生汗水所需的电流可以非常小。

“这种微流体设计允许我们使用非常小的电流，”他说。“我们可以用几十微安的电流刺激几分钟，刺激出四到五个小时的汗水。”

到目前为止，传感器技术已被证明可以在实验室环境中对人类受试者起作用。高希望在更大规模的人体试验中对其进行测试。

“这种方法使我们能够检测新的关键营养素和代谢物。我们可以监测我们何时进食并观察营养水平的变化，”他说。“它不仅监测营养物质，还监测激素和药物。它可以为许多健康状况提供持续监测。”

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