柔性电子大牛！最新Science大子刊：动态汗液生化分析

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-09-18 07:58

正文

汗液分析与可穿戴生物传感器

皮肤接口可穿戴生化传感器因其能够为一系列与健康相关的应用提供生理状态信息而备受关注，包括监测运动和耐力。这些传感器通常需要接触生物流体，如汗液、眼泪或间质液，以提供生化测量。肌肉pH值是运动生理学中肌肉疲劳的指标，因为主要的无氧呼吸途径会导致剧烈运动期间进行性酸中毒；然而，监测肌肉pH值需要侵入性针刺活检，限制了其实际用途。血乳酸与肌肉代谢性酸中毒密切相关，为研究肌肉疲劳提供了一种侵入性较小的方法。然而，血液分析需要离散的采样事件和皮肤渗透，以及存在相关的疼痛和感染风险。在某些诊断评估中，汗液可以作为血液的替代品，具有在身体活动期间无创和连续采集的优点。有研究已经验证了汗液pH值和乳酸浓度对于评估运动生理学的作用；然而，需要建立外周血和肌肉组织中汗液分析物与相应金标准参数的定量比较。

皮肤接口无线设备的汗液分析结合了电化学、比色或混合传感器，其中一些传感器能够捕获和处理汗液，进行实时原位定量分析。带有比色传感器的微流体设计因其设计简单和功能多样性而具有吸引力，但它们缺乏跟踪时间动态特性或准确监测关键生化代谢物种（如pH和乳酸）的便捷手段。

基于微流控技术的可穿戴器件

在这项研究中，西北大学John Rogers教授、黄永刚教授和成均馆大学Dong-Hwan Kim等人开发了一种微流体可穿戴带器件，该带集成了比色计时器和生化测定，可以短暂捕获汗液并测量pH值和乳酸浓度。使用比色银纳米等离子体测定法测量乳酸浓度，染料偶联的SiO2纳米颗粒-琼脂糖复合材料则支持动态pH分析。作者在不同强度的自行车运动期间，在人类参与者研究中评估了这些汗液生物标志物与血乳酸的关系。在运动过程中，随着心率的增加，主动工作肌肉区域的离子导入产生的汗液pH值降低，并与血液乳酸浓度呈负相关。相比之下，非工作肌肉的汗液pH值则与血液乳酸浓度无关。此外，在不经常锻炼的参与者中观察到汗液pH值和血乳酸的变化，但在经常锻炼的个体中并没有观察到相关变化，这表明一系列变化与身体健康有关，有助于支持进一步发展非侵入性生化健康评估。相关工作以“A skin-interfaced microfluidic platform supports dynamic sweat biochemical analysis during human exercise”为题发表在Science Translational Medicine。

【文章要点】

为了设计微流控带和比色传感器套件，用于无粘合剂监测汗液生化分析物（图1），作者使用弹性体聚二甲基硅氧烷（PDMS）构成覆盖有PDMS和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜的装置主体。用“按扣和环扣”固定的弹性橡胶带将设备固定在身体上，并可选择与智能手表集成。PDMS带有一个皮肤接口入口，由轻度交联的PDMS（30:1的比例）形成，连接到模制的汗液收集室。该入口将汗液引导到一系列封闭的线性微流体通道、阀门和带有比色化学试剂的储液器中。

图1 用于汗液捕获的微流控皮肤界面松紧带

该表带以可重复使用的形式与智能手表使用的表带自然连接，并增加了同时测量心率、spO2、汗液收集时间、乳酸浓度和pH值的功能。这些比色分析比其他现有的可穿戴汗液分析系统具有明显的优势。比色计时器通过分析单个数字图像，实现了比色传感系统汗液化学的时间动态测量。纳米等离子体乳酸盐传感器使用局部表面等离子体共振来诱导消光系数的偏移，从而随着汗液乳酸盐浓度的变化而产生多色变化。传感器对干扰效应的抵抗力，如与pH、光、盐、温度和汗液化学物质相关的干扰效应，允许在动态变化的物理和化学环境下准确读出汗液化学成分（图2）。

图2 等离子体比色传感器检测乳酸浓度

在休息或身体活动期间，作者在一系列人类参与者中测试了开发的皮肤界面微流控带，并与血液代谢物分析并行。研究结果支持了一种技术上极简、成本效益高的方法，用于跟踪汗液成分随身体位置、运动类型、持续时间和强度的时间动态变化。由于该设备的可穿戴性，作者能够测量工作和非工作肌肉的汗液pH值，这显示了对运动的不同反应，从而提供了对局部肌肉活动的见解。研究结果表明，鉴于汗液pH值与血液乳酸相关，随着运动强度的增加，汗液pH值逐渐降低，这表明汗液pH可能是肌肉酸度的指标，而肌肉酸度与肌肉疲劳有关。汗液pH可能为评估肌肉酸度的变化提供了一种非侵入性的替代方法。人类参与者的研究表明，个人健康状况可能存在差异，经常锻炼的参与者比不经常锻炼的人更好地保持汗液pH值的稳态。数据表明，在个人健身中常规使用汗液监测是可能的，并为汗液中其他重要化学物质的类似研究创造了机会（图3）。

图3 基于运动强度、采样地点和健康状况评估汗液pH值和汗液乳酸以监测个人健康状况

【结论与展望】

这里介绍的技术平台支持通过弹性微流体带对汗液化学进行定时测量，该带集成了一套比色传感器和计时器，用于研究人体运动中的汗液pH值和乳酸。该系统旨在允许从皮肤表面连续收集汗液并进行时间依赖的化学分析。该平台先进的功能组件包括基于麦芽糊精碘复合物反应扩散的汗液激活比色计时器、通过银纳米板（AgNPL）蚀刻产生多色变化的无干扰纳米等离子体乳酸盐酶传感器、基于溴百里酚蓝（BTB）共轭介孔纳米颗粒的非渗出SiO2 pH传感器和传统的热变色液晶传感器。通过数字图像采集和分析，每种测定都允许以无线方式对生物标志物浓度进行比色定量和时间跟踪，而无需任何支持的电子设备或电源。该带支持可重复使用、无粘合剂、防水的皮肤界面，能够收集手腕、前臂、脚踝或其他身体部位的汗液。

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来源：BioMed科技

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