新型可穿戴傳感器可檢測人體汗液中的更多化合物

如果您曾經抽過血，無論是檢查您的膽固醇、腎功能、激素水平、血糖，還是作為一般檢查的一部分，您可能想知道為什么沒有一種更簡單、痛苦更少的方法。

現在可能有。加州理工學院 Cherng 醫學工程系的一組研究人員推出了一種新的可穿戴傳感器，該傳感器可以檢測人體汗液中甚至微量水平的許多常見營養素和生物化合物，這些營養素和生物化合物可以作為人類健康的指標。

該傳感器技術是由高偉的實驗室開發的，他是醫學工程助理教授、Heritage Medical Research Institute 研究員，以及 Ronald 和 JoAnne Willens 學者。多年來，高博士的研究一直專注于醫療應用的可穿戴傳感器，而這項最新工作代表了迄今為止最精確和最靈敏的迭代。

“我們以前做過可穿戴的汗液傳感器，”他說。“我們想要檢測的生物標志物太多了，但過去我們無法檢測到。沒有什么好辦法。”

高說，他以前版本的汗液傳感器依靠嵌入其中的酶來檢測有限數量的相關化合物。雖然抗體可用于傳感器以檢測更多低濃度化合物，但該技術有一個很大的弱點：傳感器中的抗體只能使用一次，這意味著傳感器會磨損。

新的傳感器技術包括高所說的分子印跡聚合物，它們就像人造的、可重復使用的抗體。想象一個形狀像加號的假設對象，以描繪它們的工作方式。如果你把那個物體倒在上面，讓橡膠變硬，然后把分子從橡膠中拉出來，你現在就得到了一塊橡膠，里面有一個加號的空心。只有具有相同大小和形狀的物體才能很好地適合空心。

分子印跡聚合物的工作方式相同，但規模要小得多。如果您想制造一種可以檢測例如氨基酸谷氨酰胺的傳感器，您可以制備內部含有谷氨酰胺分子的聚合物。然后，通過化學過程，去除谷氨酰胺，你就得到了一種聚合物，其中有孔洞，正是谷氨酰胺的形狀。

高的創新是將這種特殊形成的聚合物與一種材料結合起來，這種材料在與人體汗液接觸時在施加的電壓下會被氧化或還原。只要這些谷氨酰胺形狀的孔打開，汗水就會與傳感器的內層接觸并產生電信號。但是當谷氨酰胺分子與聚合物接觸時，它們會滑入為它們制造的孔中。

隨著這些孔被谷氨酰胺分子堵塞，更少的汗液能夠接觸到內層，電信號變得更弱。通過監測該電信號，研究人員可以推斷出汗液中存在多少谷氨酰胺。更多的谷氨酰胺意味著更弱的信號。較少的谷氨酰胺導致更強的信號。

“這種獨特的策略使我們能夠檢測所有九種必需氨基酸和多種維生素，”高說。“我們可以連續完成所有這些工作。”

與抗體不同的是，聚合物可以通過施加微弱的電信號來破壞目標分子或清空其所在的孔，從而輕松“清潔”以供重復使用。

高博士研究的第二個創新是使用微流體技術，這種技術利用小于四分之一毫米寬的微小通道來操縱少量流體。即使存在微量的汗水，微流體也允許傳感器運行。

汗液傳感器的一個版本。大的彎曲部分是刺激汗液產生的電極。圖片來源：加州理工學院

高說，可以人為地刺激人體皮膚排出電流傳遞的藥物分子，但以前的傳感器需要更多的汗水，因此需要更多的電流，這可能會讓用戶感到不舒服。由于微流體和不同類型藥物的使用，傳感器現在需要更少的汗水，并且產生汗水所需的電流可以非常小。

“這種微流體設計允許我們使用非常小的電流，”他說。“我們可以用幾十微安的電流刺激幾分鐘，刺激出四到五個小時的汗水。”

到目前為止，傳感器技術已被證明可以在實驗室環境中對人類受試者起作用。高希望在更大規模的人體試驗中對其進行測試。

“這種方法使我們能夠檢測新的關鍵營養素和代謝物。我們可以監測我們何時進食并觀察營養水平的變化，”他說。“它不僅監測營養物質，還監測激素和藥物。它可以為許多健康狀況提供持續監測。”