2022/02/17

随着生物科学技术的飞速发展，近年来，越来越多的智能生物传感器开始出现在医疗领域中，并都有着良好的检测效果。

目前，可穿戴生物传感器很多都安装了微型传感器，借助智能手环等设备，人们可以追踪体温、心率、步数等各式各样的数据，从而分析自己的健康指数。

通常，运动和疾病都会造成数据波动，用户通过观察变化规律，可以知道自己的心率是否正常，睡眠是否安稳，或者是否缺乏锻炼，最终对自己的健康程度有大致的了解。

不过现有的可穿戴设备仍然有力所不能及的地方，虽然已经无限贴近人的身体和皮肤，却无法对体液、皮肤代谢物或其他生物指标加以利用。

汗液的价值不容小觑，汗液由外分泌汗腺发源，由真皮管通过表皮输送到皮肤表面，每一滴汗水之中都有0.2-1%的溶质。这些溶质包含了各种离子、氨基酸、激素、蛋白质、多肽等分泌物，人们可以从中监测电解质失衡程度、乳酸指数、汗液葡萄糖水平、脱水状况以及卡路里燃烧值。

“汗液检测”这个名词你可能还不熟悉，但它已经成了一个新的技术趋势。为什么呢？

科研界通过数十年的研究，越来越达成共识——我们的汗水具有很高的价值，它包含了很多“健康密码”。汗液中检测到的健康指标，与我们在医院做血液检测得到的指标几乎同样丰富。

近期，加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）团队研发了一种新型可穿戴生物传感器，首次直接在人体汗液中实时检测到压力激素皮质醇，对汗液中皮质醇的原位分析，以及将所获取的健康信息实时显示在手表、手机终端、可供读取的云端等。

研究人员利用系统选择技术（SELEX），研发了一种新型 DNA 适配体序，利用其自身构型的变化进行生物信号传感，并结合柔性纳米晶体管和皮质醇适配体。

借助于 DNA 适配体的超高选择性，通过修饰不同的 DNA 适配体，有效针对多种生物分子（例如血清素、多巴胺、葡萄糖、皮质醇等）实现了高选择性地检测。

这款新型可穿戴生物传感器，可直接在汗液中测到皮质醇，并突破了在汗液中现有的便携皮质醇生物传感器检测极限（约 0.1 至 1.0 nmol/dm3），实现了检测浓度低 2 个数量级。

皮质醇也被称作“压力激素”，是对精神状态和心理健康状态进行反馈的生物信号分子。当一个人处于身体或精神紧张状态时数值会升高，皮质醇的检测有望量化人们的精神疾病和心理健康状态，并及时提供反馈、早期诊断和早期预防。

研究人员将纳米级别的氧化物晶体管制备在柔性的聚酰亚胺基底上，以实现更好地与人体皮肤贴合。除此之外，还在同一基体上集成了皮质醇生物传感器、温度传感器、微流控装置、显示屏以及柔性电路系统，实现了智能传感器的实时监测与数据显示。

为了研究皮质醇传感器在抑郁症、焦虑症的诊断和预防中的应用前景，该团队还进行了两项临床试验。

研究人员对受试者进行了特里尔社会压力测试（TSST），要求他们当众阅读一段文字或当众演讲。在受试者准备时、演讲后 15 分钟、25 分钟、90 分钟四个阶段，测试他们体内的皮质醇含量。

结果表明，受试者在 TSST 后 15 分钟，体内皮质醇浓度明显提升；在 25 分钟到 90 分钟后，体内皮质醇降低至测试前水平。

在另一项临床试验中，该团队通过连续检测受试者汗液中的皮质醇浓度后发现，在一天中，人体皮质醇的浓度会发生规律性波动：起床时浓度较高，睡觉前浓度较低。这与我们熟知的人体昼夜节律相符，也证明了该传感器能够检测出相关激素的昼夜节律。

这种新型可穿戴生物传感器对于理解基础疾病机理和实时健康检测具有应用价值，通过集成柔性系统实时反馈精神状态，有望实现对精神疾病的早期诊断和预防。近期，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）研究团队开发了一款新型MXene-水凝胶可穿戴传感器，可用于汗液和肌肉疲劳监测。

该传感器可通过跟踪与肌肉乳酸堆积相关的汗液pH值变化，来判断人体肌肉疲劳状态，对于需要实时测量身体性能的运动员而言，将提供有效的价值。

水凝胶是一种充满水的聚合物，可任意拉伸，且能与人体组织兼容。该传感器采用模块化设计，利用装有适量酶的MXene插入物，可以吸收汗液，并检测人体汗液中的葡萄糖和乳酸等分析物。

该传感器能够在机械应力增加时产生独特的电阻模式来跟踪肌肉运动。反之，当传感器暴露于其它酸性或碱性溶液离子中时，这些模式又会立即改变。

当我们运动和肌肉疲劳时，该传感器会检测到新的化学环境，并产生不同的电阻与压力曲线。通过将这些曲线与给定传感器的参考曲线进行比较，可以确定汗液的pH值以及肌肉的疲劳程度。

基于MXene-水凝胶的传感器，可通过蓝牙与智能设备连接以获取读数。随着技术的进步，它将为需要实时监测身体性能的运动员发挥更大价值。