汗液自身包含了豐富的與個(gè)人健康狀況密切相關(guān)的生物化學(xué)信息，因此通過(guò)汗液可以對(duì)深入的身體生理狀態(tài)進(jìn)行無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)。由于能夠測(cè)量汗液中濃度動(dòng)態(tài)波動(dòng)的生物化學(xué)標(biāo)志物，可穿戴生物化學(xué)傳感器在個(gè)人疾病診斷中具有重要意義，而且它可以為個(gè)性化醫(yī)療、體能監(jiān)測(cè)和疾病預(yù)診斷等主要領(lǐng)域的各種應(yīng)用提供全面的分子信息，受到了廣泛的關(guān)注。近年來(lái)，各種可穿戴生物化學(xué)傳感器已被證明可用于檢測(cè)汗液生物標(biāo)志物。遺憾的是，絕大多數(shù)現(xiàn)有的皮膚適形可穿戴傳感器通常是直接連貼在人體皮膚上使用，并且由于天然汗液分泌有限和快速蒸發(fā)等原因，器件總是不能快速收集足夠量的汗液樣本。此外，汗液雜質(zhì)生物污垢和接觸摩擦也會(huì)降低傳感器的耐用性、檢測(cè)精度和靈敏度。

近期，北京航空航天大學(xué)郝壯副教授，哈爾濱工業(yè)大學(xué)潘昀路教授、李斐然副教授，沈陽(yáng)航空航天大學(xué)馬爽講師與合作者研發(fā)了一種微型可穿戴皮膚界面智能石墨烯納米電子（SIGN）貼片，該貼片采用了一種新型Janus膜集成表面潤(rùn)濕性可切換微流控模塊，具有自主汗液采樣和凈化功能，可用于汗液生物標(biāo)志物的原位分析。該研究以“Intelligent Wearable Graphene Nano-electronics with Switchable Surface Wettability Capabilities for Autonomous Sweat Enrichment-Purification-Analysis”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。北京航空航天大學(xué)為論文的第一完成單位，北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和沈陽(yáng)航空航天大學(xué)為論文的共同通訊單位。

SIGN貼片的組成與功能

該SIGN貼片采用電解質(zhì)柵極-石墨烯晶體管作為信號(hào)轉(zhuǎn)換平臺(tái)，與現(xiàn)有的生物標(biāo)志物電化學(xué)檢測(cè)方法相比，石墨烯晶體管具有反應(yīng)快、靈敏度高、生化功能化簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。由于完全集成和小型化的平面電解質(zhì)柵極結(jié)構(gòu)，可以在襯底上輕松實(shí)現(xiàn)晶體管陣列的高效可擴(kuò)展制造。

乳酸是葡萄糖厭氧代謝的產(chǎn)物，與代謝紊亂密切相關(guān)，包括糖尿病、肝病和腫瘤發(fā)生，或其他疾病，例如細(xì)菌性腦膜炎、腦組織缺氧、局部缺血和某些先天性代謝缺陷。汗液乳酸的異常水平與呼吸衰竭、低氧血癥甚至休克和死亡具有合理的相關(guān)性，被認(rèn)為是評(píng)估體能消耗的關(guān)鍵生物標(biāo)志物之一，在該研究中被用作檢驗(yàn)SIGN貼片性能的代表。

在該研究中，乳酸脫氫酶（LDH）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸+（NAD+）被用作生物識(shí)別元件，并在石墨烯上進(jìn)行功能化修飾。由于良好的NAD+-乳酸反應(yīng)可逆性，NAD+/LDH功能化石墨烯晶體管具有出色的信號(hào)再現(xiàn)性，重復(fù)使用50次后，最大信號(hào)波動(dòng)誤差小于6.2%。此外，LDH和NAD+的持久酶活性也為傳感晶體管在暴露于汗液中時(shí)提供了良好的長(zhǎng)期（超過(guò)1個(gè)月）穩(wěn)定性。此外，TWEEN 80對(duì)人體汗液中的脂肪酸和尿素等復(fù)雜成分具有較低的結(jié)合親和力，并防止雜質(zhì)生物污垢的形成，它在石墨烯上被功能化以形成鈍化層，并進(jìn)一步增強(qiáng)傳感穩(wěn)定性。值得一提的是，通過(guò)取代生物識(shí)別元件，晶體管可以毫不費(fèi)力地適應(yīng)于檢測(cè)各種生理生物標(biāo)志物，而不僅僅是乳酸。

在該研究中，研究人員將一種全新自制的不對(duì)稱(chēng)表面能分布（ASED）微流控模塊安裝在石墨烯通道上。由于雪花形ASED超親水汗液采樣通道和增量分布室的可切換表面潤(rùn)濕性特性，可以實(shí)現(xiàn)大流量汗液的快速定向傳輸，以收集足夠數(shù)量的汗液樣本。由于嵌入式Janus微濾（MF）膜的單向液體傳輸行為，可以有效地自我凈化和富集汗液，從而消除雜質(zhì)干擾，提高傳感精度和靈敏度。

石墨烯晶體管連接了一個(gè)高度集成的自行設(shè)計(jì)的信號(hào)處理單元（圖1b），其整體尺寸小于一張信用卡，并在低成本的柔性印刷電路板（PCB）上制造，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的晶體管信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和采集、原位信號(hào)處理以及到Android智能手表或云服務(wù)器的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。此外，佩戴者可以在活動(dòng)中實(shí)時(shí)讀取汗液乳酸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和心率，或通過(guò)定制的安卓智能手表應(yīng)用程序查看歷史檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)將佩戴者在活動(dòng)中的生理指標(biāo)與云大數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較，SIGN貼片可以智能地給出運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度“合理”與否等初步診斷評(píng)估意見(jiàn)。當(dāng)汗液乳酸水平超過(guò)合理限度時(shí)，它還可以通過(guò)智能手表發(fā)出振動(dòng)警告提醒。此外，該研究制備的可穿戴SIGN貼片擺脫了之前報(bào)道的汗液監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)中常用的笨重手機(jī)，允許用戶自由移動(dòng)。此外，SIGN貼片還首次提出并實(shí)現(xiàn)了根據(jù)生物標(biāo)志物檢測(cè)結(jié)果分析，智能自主地為過(guò)度運(yùn)動(dòng)提供感知警報(bào)信號(hào)以防止意外發(fā)生的策略。

圖1 微型可穿戴SIGN貼片的組成：（a）定制智能手表APP的交互式界面，用于現(xiàn)場(chǎng)查看連續(xù)的汗液乳酸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史檢測(cè)結(jié)果和智能預(yù)診斷結(jié)果；（b）自研制設(shè)計(jì)的集成信號(hào)處理單元的系統(tǒng)級(jí)框圖，石墨烯晶體管信號(hào)轉(zhuǎn)換和上傳到智能手表和云服務(wù)器是通過(guò)微控制器STM32L4、高精度DAC/ADC電路和無(wú)線通信電路完成的；（c）借助ASED微流控模塊和嵌入式Janus膜進(jìn)行汗液自主富集和純化的過(guò)程示意圖；（d）說(shuō)明NAD+/LDH功能化石墨烯晶體管在乳酸存在下的工作機(jī)制。石墨烯晶體管的照片（比例尺：2 mm）、石墨烯通道的SEM（比例尺：50 μm）和AFM（比例尺：5 μm）圖像。

SIGN貼片對(duì)汗液乳酸檢測(cè)性能表現(xiàn)

研究結(jié)果表明，該SIGN貼片對(duì)1 x PBS中0.5 ~ 400 mM濃度的乳酸展現(xiàn)出良好的檢測(cè)性能，理論檢出限可以低至0.31 mM。此外，在長(zhǎng)期儲(chǔ)存30天后，該貼片對(duì)乳酸濃度變化仍顯示出較好的響應(yīng)（信號(hào)響應(yīng)偏差小于6.86%），并且貼片對(duì)0.5 ~ 400 mM濃度范圍的乳酸正向濃度與反向濃度變化均具有積極響應(yīng)，展現(xiàn)出良好的可重復(fù)利用性（重復(fù)使用50次后偏差小于6.2%）。

為了評(píng)估SIGN貼片在可穿戴應(yīng)用中的汗液乳酸檢測(cè)能力，在跑步鍛煉期間對(duì)不同的志愿者進(jìn)行了實(shí)時(shí)的體內(nèi)汗液乳酸測(cè)量。跑步運(yùn)動(dòng)過(guò)程包括幾分鐘的熱身，直到出汗，5分鐘以5 ~ 6公里每小時(shí)的恒定速度慢跑，15分鐘以10 ~ 11公里每小時(shí)的恒定速度跑步，10分鐘以5 ～ 6公里每小時(shí)的恒定速率慢跑，以及10分鐘的降溫步行（3 ~ 4公里每小時(shí)）。志愿者在熱身時(shí)出汗后，分別固定在志愿者不同身體部位（包括前額、頸部和背部）的設(shè)備可以同時(shí)記錄數(shù)據(jù)。設(shè)備收集的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸?shù)接脩艚缑妫糜谶M(jìn)一步分析。在慢跑運(yùn)動(dòng)中，隨著跑步時(shí)間從0分鐘增加到20分鐘，歸一化的前額附著傳感器信號(hào)值急劇增加到5.37 μA，然后在接下來(lái)的10分鐘內(nèi)緩慢下降到0.46 μA。在10分鐘的緩解過(guò)程中，歸一化的傳感器信號(hào)值繼續(xù)緩慢下降，最終幾乎保持在0.04 μA左右。頸部和背部的傳感器也獲得了類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些數(shù)據(jù)證明了可穿戴SIGN貼片在跑步運(yùn)動(dòng)中持續(xù)監(jiān)測(cè)汗液中乳酸的潛力。

為了更全面地評(píng)估SIGN貼片的性能，三名志愿者重復(fù)進(jìn)行以下身體測(cè)試。首先，志愿者在脖子上戴上貼片，然后在戶外（溫度30℃）進(jìn)行跳繩運(yùn)動(dòng)。分別在2000次和3000次跳躍（每500次跳躍休息1分鐘）后檢測(cè)汗液乳酸水平。此外，在相同的天氣條件下，志愿者分別在以15 ~ 18公里每小時(shí)的速度騎行20分鐘和30分鐘后，或以10 ~ 11公里每小時(shí)的速度跑步8分鐘和15分鐘后進(jìn)行汗液乳酸濃度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，效果良好。可見(jiàn)，SIGN貼片在復(fù)雜的應(yīng)用條件下，能夠準(zhǔn)確、可靠地區(qū)分汗液乳酸水平的變化。

圖2 （a）用于無(wú)線數(shù)據(jù)通信的可穿戴SIGN貼片和腕戴智能手表；（b）SIGN貼片的電信號(hào)處理電路；（c）志愿者1在相應(yīng)的鍛煉活動(dòng)后面部區(qū)域的紅外照片；（d）Vds和Vg曲線；（e）志愿者背部、頸部和前額分別佩戴SIGN貼片，在40分鐘跑步活動(dòng)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汗液乳酸數(shù)據(jù)；（f）29 ～ 33歲不同志愿者在跑步、慢跑和騎自行車(chē)等各種運(yùn)動(dòng)活動(dòng)中的人體汗液乳酸檢測(cè)數(shù)據(jù)。

綜上所述，該研究提出了一種微型可穿戴皮膚界面智能石墨烯納米電子（SIGN）貼片，該貼片采用具有自主汗液采樣和純化能力的新型Janus膜集成表面潤(rùn)濕性可切換微流控模塊，用于汗液生物標(biāo)志物的原位分析。由于微流控表面的不對(duì)稱(chēng)表面能分布特性，實(shí)現(xiàn)了足夠量的汗液到Janus膜的快速、定向傳輸。Janus膜凈化汗液樣本，并將樣本自主輸送到傳感器表面，從而消除雜質(zhì)干擾，提高傳感性能。超柔性生物受體功能化石墨烯晶體管用于準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)汗液生物標(biāo)志物，如乳酸，具有出色的信號(hào)再現(xiàn)性和良好的長(zhǎng)期（超過(guò)1個(gè)月）穩(wěn)定性，以及與微流控模塊結(jié)合的信號(hào)處理單元。在實(shí)際佩戴測(cè)試中，SIGN貼片能夠連續(xù)測(cè)量志愿者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的汗液乳酸水平，并成功地智能地對(duì)他們的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行初步診斷評(píng)估，這表明了其潛在的商業(yè)化前景。

論文鏈接： https://doi.org/10.1002/adfm.202400947



審核編輯：劉清