新型可穿戴传感器可检测人体汗液中多种化合物

2022/8/19 10:41:22 来源:新浪科技 作者:- 责编:远洋

北京时间 8 月 19 日上午消息,据报道,如果你曾经抽过血,无论是检查你的胆固醇、肾功能、激素指数、血糖,还是作为全面体检的一个环节,你可能不禁会想 —— 为什么一定要抽出血液才能检测相关身体指数?难道没有一种更简单、痛苦更少的方法吗?

目前,美国加州理工学院医学工程副教授高伟 (音译) 和同事乔安妮・威伦斯 (JoAnne Willens) 等人经过多年研发设计,现最新研制一款专注于医疗应用的可穿戴传感器,该技术代表了迄今为止检测最精确、最灵敏的技术迭代。

图中是汗液监测传感器,较大的弯曲部是刺激排汗的电极。

图中是汗液监测传感器,较大的弯曲部是刺激排汗的电极。

威伦斯说:“我们之前设计过可穿戴汗液传感器,但有很多生物指标是需要检测的,此前我们无法技术实现,也没有更好的策略方案,之前设计的可穿戴汗液传感器依赖嵌入其中的酶物质,来检测有限数量的相关化合物,虽然传感器中使用的抗体可探测到低浓度样本中更多的化合成分,但该技术存在一个很大的缺点 —— 传感器中的抗体仅能使用一次,这将意味着该传感器是高损耗装置,实用性并不强。”

最新设计的可穿戴传感器进行了大幅升级,其中包括:分子印迹聚合物技术,分子印迹聚合物就像人造、可重复使用的抗体,为了更深入地介绍该传感器是如何工作的,他们解释称,设想存在一个形状像加号的物体,如果在该物体上倾倒硅橡胶,使橡胶变硬,然后再将分子从橡胶中分离出来,就会获得一个加号形状中空的橡胶块,只有相同大小和形状的物体才能很好地匹配这个中空结构,这就是分子印迹聚合物的工作原理,但大小规格要小很多。例如:如果人们想制造一个能检测谷氨酰氨基酸的传感器,就需要制备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,这样就会获得一个带孔的聚合物,形成与谷氨酰胺完全相同。

最新设计的可穿戴传感器创新之处在于这种特殊条件形成的聚合物能与一种材料结合在一起,该材料在接触人体汗液时,在施加电压下会被氧化或者还原。

最新设计的可穿戴传感器创新之处在于这种特殊条件形成的聚合物能与一种材料结合在一起,该材料在接触人体汗液时,在施加电压下会被氧化或者还原。

高伟设计的可穿戴传感器创新之处在于这种特殊条件形成的聚合物能与一种材料结合在一起,该材料在接触人体汗液时,在施加电压下会被氧化或者还原。只要这些谷氨酰胺形状的小孔处于打开状态,汗液就会接触到传感器内层,并产生电信号。但当谷氨酰胺分子与聚合物接触时,就会进入孔状结构中。

当这些小孔被谷氨酰胺分子堵住,能接触到内层汗液就会变少,相应的电信号也会变弱,通过监测电信号变化情况,研究人员可以推断人体汗液中含有多少谷氨酰胺,谷氨酰胺越多,信号越弱,谷氨酰胺越少,信号则越强。

高伟说:“这种独特策略使我们能检测出人体所有 9 种必需氨基酸和多种维生素,我们可以持续监测,与抗体不同的是,传感器中的聚合物可以很容易被‘清洗’,通过应用微弱的电信号来破坏目标分子或者清空它所在的孔。”

该传感器第二个创新是微流体应用,这是一种利用不足 0.25 毫米直径的微小通道操纵少量流体的技术,微流体技术允许传感器在有微量汗液存在的情况下工作。

高伟指出,人体可以使用人工刺激的方式使药物分子通过电流排出体外,但之前的传感器需要更多的汗液,因此需要更多的电流,这可能会让使用者感到不舒服,由于微流体和使用不同类型的药物,新型传感器仅需要较少的人体汗液,同时需要产生汗液的电流可能非常小。

一个谷氨酰胺分子正在滑入专门为其设计的洞状结构中,这类似于伊藤润二( Junji Ito)创作漫画《阿弥壳断层之怪》中的情节。

一个谷氨酰胺分子正在滑入专门为其设计的洞状结构中,这类似于伊藤润二 (Junji Ito) 创作漫画《阿弥壳断层之怪》中的情节。

高伟说:“这种微流体设计允许我们使用较少的电流,我们可以使用几十微安电流在几分钟的刺激作用下,产生相当于 4-5 小时产生的汗液。迄今为止,这种传感器技术已在实验室环境下的人体试验中进行测试,我们希望未来进行更大范围的测试应用。”

该方法能检测到一些新的关键营养物质和代谢物,这样我们可以监测自己吃食物的时候,观察摄入营养物质的变化,它不仅监测营养物质,还能监测体内激素和药物水平,还可以对多种健康状况进行持续监测。

目前,这篇名为《可监测代谢物和营养物质的可穿戴电化学生物传感器》的文章发表在 8 月 15 日出版的《自然生物医学工程杂志》上。

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关键词:传感器

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