【儀表網 研發快訊】汗液作為最容易獲得的體液之一，其中富含有大量與健康相關的生物標記物可用于無創監測，近年來受到了可穿戴健康電子領域的極大關注。苯丙氨酸作為人體的八大必需氨基酸之一，大量存在于人體組織和體液中，對個體的智力發育、健康維持、免疫反應等方面十分重要。但是，由于缺乏合適的高靈敏度檢測方式以及可靠的汗液-血液苯丙氨酸水平相關性研究依據，汗液中的苯丙氨酸很少被可穿戴汗液生物傳感技術探索開發作為生物標記物用于健康監測。
鑒于此，中國科學院半導體研究所王麗麗研究員團隊開發了一款可穿戴多模式生物傳感芯片集成系統用于對汗液中的苯丙氨酸、氯離子濃度指標以及汗液流失指標(出汗量、出汗率)進行準確的多模態實時檢測 (圖1)。在該集成系統中，研究團隊提出了可用于苯丙氨酸直接氧化法檢測的高靈敏度、高選擇性可穿戴傳感電極。此外，還開發了低成本的可視化微流控芯片用于快速的汗液采樣、便捷的汗液流失測量以及穩定的苯丙氨酸傳感。最后，通過集成后端柔性電路和定制化手機軟件，實現了傳感信號的多通道采集、無線傳輸以及自動讀數。
圖1：可穿戴多模態生物傳感集成系統的設計原理及應用方向
作為實際醫學應用展示(圖2)，半導體所與天津醫科大學總醫院合作，開發的生物傳感集成系統被用于監測受試者在運動過程中的多個汗液生物指標。基于多位受試者的實地監測數據分析，研究團隊發現了不同身體質量指數的人群之間汗液苯丙氨酸濃度有顯著差異，這歸因于個體間的出汗率差異，同時，還提出了汗液苯丙氨酸濃度和出汗率得到的復合指標(汗液苯丙氨酸流失率)用于有效地評估個體的運動代謝狀態與潛在風險。最后，研究團隊更進一步地研究了汗液苯丙氨酸濃度與血液苯丙氨酸水平之間的關系，通過出汗率標準化濃度指標來減小個體間的變異性，揭示了在兩位受試者中汗液-血液苯丙氨酸水平之間良好的相關性，證明該多模式生物芯片傳感集成系統具有對不同人群的汗液苯丙氨酸分析的普適性。上述結果表明結合出汗率檢測及多模態分析，汗液苯丙氨酸有被開發為可靠生物標記物的臨床應用前景，用于無創的代謝狀態評估，甚至相關的疾病診斷。
圖2：可穿戴多模態生物傳感集成系統的在臨床人體應用評估
上述研究成果以“Interindividual- and blood-correlated sweat phenylalanine multimodal analytical biochips for tracking exercise metabolism”為題發表于《自然通訊》期刊(Nature communications)。半導體所博士生鐘博文為論文的第一作者，碩士生秦曉坤和博士后徐浩分別為論文的第二、三作者，王麗麗研究員為論文的通訊作者。該項目得到了中國科學院高層次人才項目、國家自然科學基金和中國科學院戰略先導項目的經費支持。
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