用于监测运动代谢的可穿戴多模式汗液传感芯片（中国科学院半导体研究所王丽丽（Lili Wang）团队）

现有技术缺点

1. 单一指标检测：现有的氨基酸生物传感器只能检测单一浓度指标，忽略了出汗率，导致无法定量评估运动过程中的代谢状态。

2. 血液-汗液相关性不足：现有传感器难以建立汗液与血液中氨基酸水平的关联，尤其是对于苯丙氨酸（Phe）等非电活性氨基酸的检测。

文章亮点

1. 多模式生物芯片：提出了一种集成电化学电极和多用途微流控通道的可穿戴多模式生物芯片，能够同时检测汗液中的苯丙氨酸、氯化物浓度以及汗液流速。

2. 新检测方法：通过模拟酶的分子印迹聚合物（MIP），实现了对Phe的高灵敏度检测，并通过激光雕刻技术开发了可扩展的微流控系统。

3. 创新测量方式：提出了汗液Phe分泌速率这一新指标，通过综合分析汗液Phe水平与出汗率之间的关系，为评估不同BMI个体的运动代谢风险提供了一种新方法。

应用场景

1. 个人健康监测：该多模式生物芯片可以用于连续监测运动过程中个体的代谢状态，尤其是在与蛋白质摄入相关的情况下。

2. 临床应用：该技术可用于无创检测和个性化管理苯丙酮尿症（PKU）患者的低Phe饮食。

3. 代谢研究：通过研究汗液与血液中氨基酸的相关性，为代谢机制研究提供了新工具。

总结

    作者开发了一种集成多种传感技术的可穿戴多模式生物芯片，突破了传统氨基酸传感器在运动代谢状态监测中的局限性。该芯片不仅实现了对多种汗液指标的同时检测，还提出了新的代谢评估方法，为个人健康监测和临床应用提供了创新的解决方案。未来研究可通过扩展受试者数据和考虑汗液稀释效应，进一步加强汗液与血清氨基酸相关性的研究，从而推动该技术在个性化健康管理中的应用。

文章名称：Interindividual- and blood-correlated sweat phenylalanine multimodal analytical biochips for tracking exercise metabolism

期刊：Nature Communications

文章DOI：

    https://doi.org/10.1038/s41467-024-44751-z

通讯作者：中国科学院半导体研究所王丽丽(Lili Wang)

集成系统感知策略及其应用

    集成多个功能模块的生物芯片可以贴附在皮肤上，对皮肤表面分泌的汗液进行多模态感知、数据处理和无线传输（图1a）。生物芯片的所有模块都可以通过简单的加工技术进行大规模制备，包括热蒸发和激光雕刻。

    作者介绍了一种可穿戴的多模生物芯片，用于感知多种指标，包括汗液中的苯丙氨酸和氯离子浓度，以及出汗率，这些指标共同可以实现对运动过程中代谢状态的定量评估。该生物芯片包含三个功能模块，用于先进的原位汗液检测（图1a）分别是：

• 通过电催化活性的分子压印聚合物修饰的电化学电极，用于直接且选择性地测定汗液中的苯丙氨酸；

• 设计的多功能微流控模块，可实现快速采集汗液、浓度刷新和pH缓冲以维持稳定的测试环境，同时用于汗液流失测量的流动可视化；

• 与匹配的无线柔性电路和移动软件集成。

图1 通过汗液分析评估运动代谢风险和血清相关性的可穿戴多模式生物芯片示意图。a 皮肤上多模式汗液感知的生物芯片示意图。b 汗液苯丙氨酸浓度与个体出汗率呈负相关。c E-MIP电极用于直接电催化氧化Phe的机理以及在外加电场下E-MIP电极与Phe分子之间的电荷转移的理论模拟。d 具有垂直组装结构的微流控模块的工作原理和横截面。e 集成无线系统和原始电极的Phe DPV响应的比较。f 同一运动时间点不同个体出汗率与Phe水平的相关性。g 两组受试者汗液与血清Phe水平的相关性。h 比较汗液传感的最新进展。

E-MIP传感器的电化学性质研究

图2 E-MIP传感器用于苯丙氨酸（Phe）检测的特性表征。

多功能微流控芯片的设计和性能表征

    本章节作者介绍了一种可穿戴汗液Phe传感器的多功能微流控模块，该模块通过激光刻蚀制造，包括通道、滤纸的图案化以及表面粗糙化。微流控的每个功能层都是垂直整合的，形成了精致的三维结构（图3a），提高了汗液采样的时间分辨率，并实现了快速汗液采集和更新，可视化和蛇形流出通道用于实时评估汗液流失状态，并维持pH中性和高离子强度的溶液环境以实现准确的汗液苯丙氨酸检测。

图3 用于汗液采样的多功能微流控装置的设计和特性。a 微流控制器件设计的逐层视图。b 使用嵌入式滤纸填充不同数量和形状入口所需时间的数值模拟。c 汗液采样/填充过程的模拟和实验结果比较。d 在没有或有嵌入滤纸的情况下，室内刷新过程中Phe浓度平均的时间演化过程。e 微流控制刷新过程的有限元分析，不带或带有嵌入式滤纸。f 运动时皮肤上微流体器件的照片（右）和汗液在可视化微通道中流动的光学显微图（左）。g 空通道的光学反射率，带有或不带有微点的填充通道。h 在泵注射速率为0.5、1或2μL/min时，用肉眼测量了不同充液体位置的流量。i 测量了8名健康受试者在10到20分钟的锻炼过程中的两个身体部位的出汗率。j 微流体室中嵌入滤纸的中性pH缓冲能力。k,l 传感器的响应变化。

Video 2

汗液传感器用于运动代谢风险的评估

    本章节作者介绍了一种集成多模式的汗液传感器，适合用于实时测量和显示运动过程中汗液中Phe、氯化物和汗液流失水平（图4a-c，Video 3和Video 4）。

图4 对可穿戴多模态生物芯片进行动态运动汗液分析和评估的身体评估。a 受试者在前额上戴着生物芯片和智能手机应用界面的照片。b 传感器验证视频的一帧截图。c 传感器性能的超薄柔性展示。d 汗液传感器柔性电路的硬件框图。e 实时连续监测汗液流失（左上）、汗液氯化物（左下）和苯丙氨酸浓度（右）以及来自受试者1前额对应的DPV数据的0.4至0.6伏每次扫描。f、g 两组男性受试者的动态汗液Phe测量和对应的箱线图。h 八个受试者在进行10至20分钟运动期间通过汗液流速和Phe浓度计算的汗液Phe分泌速率。i 汗液AAs和Phe水平之间的高度正相关性，用于验证汗液Phe分泌速率作为反映运动相关代谢风险评估的指标。

 Video 3

 Video 4

汗液Phe传感器在饮食管理和血清相关性方面的评估

    研究发现，除了在运动管理中的实际用途之外，汗液苯丙氨酸传感器还具有额外的潜在应用，可以帮助了解汗液中Phe水平与血清中Phe水平之间的相关性，比如在饮食管理的情况下（图5a）。作者通过引入出汗率来减少个体间的变异性，汗液Phe分泌率是一个潜在的合适的指标，可以用来研究血清和汗液Phe之间的相关性。因此，作者提出的传感器能够同时检测汗液Phe水平和出汗率，显示出比其他可用传感器选项更好的评估血清Phe水平的能力，并支持将苯丙氨酸作为汗液生物标记物的可行性。

图5  原位汗液Phe分析评估血清水平和蛋白质饮食摄取效果。a 运动中蛋白质摄入引起的Phe代谢途径及血清和汗液Phe的波动。b 两个不同BMI的受试者在三个运动时期的汗液苯丙氨酸水平的动态变化，包括蛋白质饮食摄入前后以及休息后。c 来自两个不同受试者的摄入-运动实验中汗液AAs和Phe水平之间的相关性。d 传感器测得的汗液样本中的Phe浓度与相应的ELISA读数。e 受试者#1(上)和受试者#5(下)在三个运动阶段的汗液和血清Phe水平的比较研究。f 两组受试者出汗率归一化前(上)、后(下)出汗与血清Phe水平的相关性。g，h HaCaT细胞在生物相容性测试中培养2或4天后的荧光显微镜图像（g）和相对细胞存活率（h）（n = 2个独立实验）。比例尺，100μm。

Zhong, B., Qin, X., Xu, H. et al. Interindividual- and blood-correlated sweat phenylalanine multimodal analytical biochips for tracking exercise metabolism. Nat Commun 15, 624 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-44751-z

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