Nat. Biomed. Eng.：用于代谢物和营养物监测的可穿戴电化学生物传感器（2022）

摘要

摘要图
本文设计了一种可穿戴电化学生物传感器，用于通过汗液对多种代谢物和营养物进行连续、非侵入性分析。传感器集成了激光刻蚀石墨烯电极、分子印迹聚合物和氧化还原纳米颗粒，实现了对所有必需氨基酸和多种维生素的高灵敏度检测。通过结合微流控汗液采集和无线通信模块，传感器可以在运动或静息状态下实时监测用户的代谢健康和营养状态，并评估代谢综合征风险。该传感器有望在个性化营养和精准医疗中发挥重要作用。

关键词

  • 可穿戴传感器 (Wearable sensor)
  • 电化学传感器 (Electrochemical sensor)
  • 代谢监测 (Metabolite monitoring)
  • 营养监测 (Nutrient monitoring)
  • 汗液分析 (Sweat analysis)
  • 分子印迹聚合物 (Molecularly imprinted polymer, MIP)

研究背景

精准医疗和个性化营养对实时监测人体代谢状态提出了迫切需求。现有方法主要依赖血液分析，不仅侵入性强，还需要复杂的仪器设备和样品处理。相比之下，汗液是一种重要的生物体液，反映了丰富的代谢和营养信息。然而，现有可穿戴传感器通常仅限于检测少数电解质或代谢物，难以满足复杂代谢监测需求。本文提出一种基于激光刻蚀石墨烯和分子印迹聚合物的新型传感器技术，结合微流控和无线通信，实现了对代谢物和营养物的连续、精确监测，为健康管理和疾病早期干预提供了可能。

创新点

  • 开发了激光刻蚀石墨烯电极和分子印迹聚合物相结合的传感器技术，实现高选择性和灵敏度检测。
  • 集成了微流控汗液采集和无线通信模块，实现实时动态监测。
  • 提出了可现场再生的传感器设计，显著延长了设备使用寿命。
  • 展示了传感器在代谢综合征和COVID-19等健康监测中的潜力。

研究内容

本研究提出一种名为“NutriTrek”的可穿戴电化学生物传感器，用于对汗液中的代谢物和营养物进行实时监测。传感器基于激光刻蚀石墨烯电极，表面修饰分子印迹聚合物和氧化还原活性纳米颗粒，能高选择性地检测包括氨基酸、维生素在内的多种生物标志物。设备集成了离子导入技术用于汗液诱导，结合微流控模块实现精准采样，并通过蓝牙实现数据无线传输。实验结果显示，该传感器可实时监测运动状态下的氨基酸动态变化，评估中央疲劳和代谢综合征风险。此外，传感器的再生功能显著提高了其重复使用能力，为持续监测提供了技术保障。

图1
图1 | NutriTrek可穿戴电化学生物传感器的设计和工作原理。

(a) 氨基酸(AAs)等循环营养物与多种生理和代谢状况相关。
(b) NutriTrek传感器的示意图，结合了激光刻蚀石墨烯(LEG)、电化学合成的氧化还原活性纳米报告分子(RARs)和基于分子印迹聚合物(MIP)的“人工抗体”，用于代谢监测。
(c, d) NutriTrek微流控贴片的结构示意图(c)及其层组装图(d)，用于汗液诱导、采样和生物传感。T表示温度。
(e, f) 柔性传感器贴片的照片(e)及其与皮肤接口的可穿戴系统的照片(f)。比例尺：5 mm (e) 和 2 cm (f)。
(g) NutriTrek电子系统的模块框图，其中红色虚线框内的模块包含在智能手表版本中。
(h) 用于实时代谢和营养跟踪的定制移动应用程序界面。
(i) 带有一次性传感器贴片和电子墨水显示屏的NutriTrek智能手表。比例尺：1 cm（顶部）和5 cm（底部）。

图2
图2 | LEG–MIP传感器的设计和特性表征。

(a) 使用LEG–MIP传感器直接检测电活性分子的原理示意图。
(b, c) 用于直接检测酪氨酸(Tyr, b)和色氨酸(Trp, c)的LEG–MIP传感器的微分脉冲伏安法(DPV)伏安图。插图为线性拟合的校准曲线。
(d) 用于Trp传感器的连续原位检测和再生示意图。
(e) LEG–RAR–MIP传感器的间接分子检测示意图。
(f) 使用LEG–PBNP–MIP传感器间接检测亮氨酸(Leu)的线性扫描伏安法(LSV)伏安图。插图为线性拟合的校准曲线。
(g, h) 使用LEG–PBNP–MIP传感器间接检测所有必需氨基酸(g)和多种维生素、脂质及代谢物(h)的结果。虚线表示线性拟合趋势线。
(i) 多模板MIP氨基酸传感器的示意图。
(j) 用于BCAA定量分析的LEG多模板MIP传感器的LSV伏安图。插图为线性拟合的校准曲线。
(k, l) 用LEG–AQCA–MIP传感器间接检测Leu的DPV伏安图。插图为校准曲线。
(m) 在原始汗液样本中LEG–AQCA–MIP传感器的原位再生示意图。
(o) Trp、Tyr、Leu、Ile、Val和BCAA传感器对其他汗液中相似结构氨基酸的选择性。
(p) 在20个运动汗液样本中，Tyr、Trp和Leu传感器的测量值与气相色谱–质谱法(GC-MS)的对比验证。

图3
图3 | 自主汗液诱导、采样、分析和校准的可穿戴系统设计。

(a) 多功能可穿戴传感器贴片的示意图，包含离子选择电极(ISE)、离子导入模块、多入口微流控模块及AA校准传感器。
(b-d) 两步扫描传感器校准策略，在Tyr存在下实现对Trp的选择性原位检测。
(e) AA传感器读数的电解质校准曲线及线性拟合。
(f) 基于离子导入的汗液提取模块示意图，使用胆碱类试剂如卡巴胆碱和匹鲁卡品。
(g, h) 用匹鲁卡品和卡巴胆碱刺激后的局部汗液流速(g)和周围汗液流速(h)。实线和虚线表示二次拟合趋势线。
(i) 微流控模块在优化设计后的数值模拟，用于模拟在不同入口数量、角度范围及入口与出口方向条件下的汗液分布。
(j) 优化后的柔性微流控贴片的体外和佩戴测试结果，显示其有效的卡巴胆碱诱导汗液采样能力。

图4
图4 | 可穿戴系统的动态生理和营养监测评估。

(a-d) 在骑自行车运动过程中，通过传感器数组实时校准对Trp和Tyr的连续监测。
(e) 使用定制伏安图分析策略，基于多项式拟合和截断程序自动提取峰值。
(f-j) 在运动过程中，使用可穿戴传感器监测汗液Trp和BCAA动态变化，评估中央疲劳情况。
(k-o) 在静息条件下，通过摄入和不摄入Trp与Tyr补充剂，动态分析汗液氨基酸水平的变化，展示个性化营养监测的能力。

图5
图5 | 使用LEG–MIP BCAA传感器个性化监测代谢综合征风险因素。

(a) 在肥胖和/或2型糖尿病(T2DM)患者中发现的BCAA水平升高的情况。
(b) BCAA代谢与胰岛素响应之间的紧密联系。
(c) 使用LEG–MIP传感器测得的汗液和血清总BCAA和Leu水平的相关性。
(d) 在三组参与者中(健康组、肥胖/超重组和T2DM组)，汗液和血清Leu水平的箱线图对比。
(e, f) 在健康受试者中，分别通过BCAA补充剂(e)和标准蛋白饮食(f)摄入后的动态生物标志物变化，包括汗液Leu和总BCAA、血糖和胰岛素水平。
(g) 在不同代谢状况下受试者摄入BCAA后汗液Leu动态变化的对比。
(h) 在COVID-19阴性和阳性样本中，使用Leu作为代谢标志物评估COVID-19严重程度。

结论与展望

本研究开发的NutriTrek传感器在代谢物和营养物的实时监测中表现出色，为精准医疗和个性化营养提供了强大工具。未来，研究可以进一步优化传感器性能，扩展其在多种健康应用场景中的适用性，如慢性疾病管理和健康状况预测。此外，该技术有望与智能设备结合，推进家庭医疗和远程医疗的发展。

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原文标题：A wearable electrochemical biosensor for the monitoring of metabolites and nutrients

Nat. Biomed. Eng. 2022, 6, 1225–1235.

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