中国农业大学《自然·通讯》：研发可穿戴汗液传感器，实现维生素缺乏症的实时无创监测

全球超过20亿人正遭受“隐性饥饿”的困扰——他们摄入的热量充足，但膳食中的微量营养素却严重不足。维生素缺乏与多种严重疾病密切相关，例如维生素B9（叶酸）或B12缺乏会导致巨幼细胞性贫血和神经管缺陷，而维生素D缺乏则影响钙磷代谢和骨骼健康。然而，当前评估维生素状态的金标准依赖于实验室血液检测，这种有创、繁琐且耗时的过程需要专业人员和复杂设备，无法实现实时、个性化的营养干预。个体因遗传、肠道生理和生活方式差异导致的维生素需求不同，更加剧了对精准营养策略的迫切需求。

针对这一挑战，中国农业大学张昊教授团队展示了一种可穿戴电化学平台。该平台利用生物受体功能化的金纳米花/硫氮共掺杂碳材料，能够以纳摩尔级的灵敏度检测汗液中的六种低浓度维生素（B1、B2、B7、B9、B12和D）。该系统集成了离子导入出汗诱导、微流体采样和带校准的实时维生素检测功能。人体研究表明，汗液中VB9水平在口服VB9补充剂和富含VB9饮食后呈现动态变化，并发现了强烈的汗液-血清相关性（r = 0.849）。吸烟者与非吸烟者之间VB9水平的显著差异，展示了该技术在多样化人群中用于维生素监测的潜力。相关论文以“Real-time nanomolar vitamin monitoring in sweat using an electrochemical skin-attached device”为题，发表在Nature Communications上。

可穿戴维生素生物传感器的设计与机制。研究人员首先绘制了与维生素缺乏相关的病理示意图以及影响维生素状态的多重因素，直观呈现了这一健康挑战的复杂性。该传感器的核心是一种基于亲和原理的电化学检测策略：汗液中的维生素与辣根过氧化物酶标记的维生素竞争结合固定在电极上的生物识别元件，通过酶促还原反应产生的阴极电流实现定量分析，电流强度与汗液维生素浓度成反比。传感器的多层结构设计集成了离子导入电极用于按需诱导出汗、PDMS试剂预储存室、激光雕刻的微流体模块以及多路电化学传感器阵列。实物照片显示了一个集成了工作电极、参比电极和对电极的多路传感器阵列，标尺为1厘米。电子系统框图和柔性电路板照片则展示了从信号采集、处理到蓝牙无线传输至智能手机应用的完整硬件架构。

图1. 可穿戴维生素生物传感器的设计与机制。 a 与维生素缺乏相关的病理学及维生素状态相关因素的示意图。b 用于人体汗液中维生素检测的亲和力型电化学传感器示意图，展示其构建和传感策略。BREs，生物识别元件。c 用于离子导入汗液诱导、样品采集和生物传感的可穿戴维生素生物传感器的多层设计。d 多重传感器阵列的照片。比例尺，1 cm。e 可穿戴维生素生物传感器电子系统的框图。DAC，数模转换器；ADC，模数转换器；UART，通用异步收发传输器；CE，对电极；RE，参比电极。f FPCB和柔性可穿戴传感器贴片的照片。比例尺，1 cm。

多路传感器的材料和电化学表征。金纳米花/硫氮共掺杂碳纳米复合材料的制备过程被示意性地描绘出来。X射线光电子能谱证实了硫和氮的成功共掺杂，拉曼光谱中ID/IG比值的降低揭示了缺陷浓度的升高，这些缺陷位点有效调控了金纳米花的均匀成核与生长。扫描电镜和透射电镜图像清晰地显示了金纳米花的形貌及其在碳基底上的均匀分布，高分辨透射电镜和能谱面分布图进一步确认了金、硫、氮等元素的均匀分布。X射线衍射图谱和接触角测试表明，该复合材料具有优异的亲水性和生物相容性。电化学阻抗谱中的奈奎斯特图显示，在每一步修饰后，电荷转移电阻发生了规律性变化。更重要的是，该维生素传感器在1至100纳摩尔的生理相关浓度范围内展现出对数线性响应，对VB7、VB9、VB12和VD的检测限分别低至0.37 nM、0.33 nM、0.42 nM和0.57 nM。性能对比图显示该传感器优于现有大多数可穿戴维生素传感器，选择性测试也证明了其对目标维生素的高特异性。

图2. 多重传感器的材料和电化学表征。 a AuNF/SNC制备过程的示意图。b 共掺杂前后碳材料的XPS光谱。c C、SNC和AuNF/SNC的XRD图谱。d AuNF/SNC的SEM图像。图像代表三次独立实验。比例尺，200 nm。e AuNF/SNC的TEM和HRTEM图像及EDS图谱。比例尺，500 nm（TEM和EDS）和5 nm（HRTEM）。图像代表三次独立实验。f AuNF/SNC的Au 4f、N 1s和S 2p的XPS图谱。g C、SNC和AuNF/SNC的水接触角。h 每个材料制备步骤后在含有2.0 mM K₄Fe(CN)₆/K₃Fe(CN)₆（1:1）的1× PBS溶液中电极的Nyquist图。Rₛ，溶液电阻；R꜀ₜ，电荷转移电阻；Zw，Warburg阻抗；CPE，常相位角元件；Z、Z'和Z"分别代表阻抗、电阻和电抗。i AuNF/SNC电极电化学性能的批次间变异性（每个条件下n=3个生物学独立电极）。j 每个表面修饰步骤后在含有2.0 mM K₄Fe(CN)₆/K₃Fe(CN)₆（1:1）的1× PBS溶液中电极的Nyquist图。k-n 维生素传感器用于检测VB7（k）、VB9（l）、VB12（m）和VD（n）的DPV伏安图，记录范围为-0.3至0.2 V vs. Ag/AgCl。I代表电流，E代表电位。o 多种维生素的校准曲线（每个条件下n=3个生物学独立电极）。数据以平均值±SD表示。p AuNF/SNC传感器与其他可穿戴维生素传感器的传感性能比较。q 传感器对其他维生素的选择性（每个条件下n=3个生物学独立电极）。ΔI为峰电流变化。数据以平均值±SD表示。

完全集成的可穿戴维生素传感器在出汗诱导、采样和分析方面的设计与特性。微流体贴片的设计示意图展示了各功能层的协同工作流程。pH传感器在不同pH缓冲液中的电位响应呈线性，离子强度传感器的导纳值也与电解质浓度线性相关。尤为关键的是，经过pH和离子强度联合校准后，传感器测得的汗液VB9浓度与ELISA金标准的相关性从校准前的较低水平提升至r = 0.989。通过离子导入经皮递送卡巴胆碱诱导出汗的机制示意图显示，在160微安的恒流刺激下，受试者能够产生稳定且足够的汗液。动态灌注实验表明，传感器在不同流速和不同溶液切换条件下能够快速响应并稳定。数值模拟优化了微流体设计，揭示了在1.5微升/分钟的出汗速率下，微流体储液器中VB9浓度分布的动态变化过程。最后，穿戴在皮肤上的实物照片验证了该贴片能够在静息状态下通过离子导入自主诱导出汗并高效采集汗液。

图3. 用于汗液诱导、采样和分析的完全集成可穿戴维生素传感器的设计与表征。 a 可穿戴微流体维生素传感器贴片的设计。CE，对电极；RE，参比电极；IMP，阻抗电极。b pH传感器的电位响应。插图为相应的校准曲线。c 离子强度传感器在PBS中的阻抗响应。插图为相应的校准曲线。d VB9传感器与ELISA的验证，左图为有校准，右图为无校准。e 通过离子导入经皮递送卡巴胆碱进行汗液诱导的示意图。f 三名受试者离子导入后的局部出汗率。S，受试者。g和h pH传感器（g）和离子强度传感器（h）在不同流速下溶液切换时的动态响应。i 入口流体从10 nM VB9变为80 nM VB9后300秒时，微流体储液池内VB9浓度分布的数值模拟，不同入口数量、间距和入口/出口方向。流速：1.5 μL/min。j 优化后的柔性微流体贴片的体表评估。通过离子导入诱导出汗，无需运动即可采样。比例尺，5 mm。

完全集成可穿戴传感器的人体验证结果。传感器佩戴在前臂并通过蓝牙传输数据的照片以及受试者将贴片佩戴在身体不同部位的照片，直观体现了设备的易用性和舒适性。两名受试者在口服5毫克VB9补充剂前后3小时的实时监测数据显示，传感器能够清晰捕捉到汗液VB9浓度的动态上升。同时，汗液pH和离子强度值也在健康人正常的生理范围内波动。另一组实验显示，在摄入富含VB9的膳食约3小时后，受试者的汗液VB9水平相比基线也出现了超过1.6倍的增加，体现在差分脉冲伏安扫描曲线中电流的相应变化。这些结果证明了汗液能够反映VB9的摄入情况，并且完全集成的可穿戴传感器有望成为有创、耗时之血液分析的无创替代方案。

图4. 完全集成可穿戴传感器的体表评估。 a 佩戴在前臂上并通过蓝牙低功耗信号传输至手机的可穿戴传感器照片。b 健康受试者在身体不同部位佩戴传感器贴片的照片。c VB9补充前和补充后3小时的体表多重汗液传感示意图及相应数据，受试者1和受试者2的数据。DPV测量记录范围为-0.3至0.2 V vs. Ag/AgCl。d 富含VB9的饮食摄入前和摄入后约3小时的体表多重汗液传感示意图及相应数据，受试者1和受试者2的数据。DPV测量记录范围为-0.3至0.2 V vs. Ag/AgCl。

基于汗液传感器的无创VB9监测应用。VB9在体内的代谢通路示意图解释了补充剂摄入后血清与汗液中VB9浓度的动态变化。在连续两天的监测中，两名受试者在口服5毫克VB9补充剂后，汗液VB9浓度在3小时内较基线水平升高超过2倍，并在8小时后仍维持显著高于基线的水平，这一动态过程与已知的血清VB9药代动力学特征高度吻合。连续3天的监测显示，在不补充的前两天汗液VB9水平持续偏低，而仅在第三天补充后出现急剧上升，证实了传感器的特异性响应。8名受试者的队列研究进一步确认了补充后汗液VB9从1-9纳摩尔显著升高至12-32纳摩尔。剂量-效应研究发现，在0-10毫克范围内，汗液VB9水平随补充剂量的增加而升高，但20毫克剂量后增幅减小，提示吸收趋于饱和。最令人振奋的是，同时采集的汗液与血清样本中VB9浓度呈现强烈的正相关，皮尔逊相关系数达到r = 0.849。吸烟导致VB9水平降低的生理机制被阐明：香烟成分抑制甲硫氨酸合酶活性并增加氧化应激，导致VB9失活。与此机制一致，吸烟者血清和汗液中的VB9水平均显著低于非吸烟者。

图5. 使用汗液传感器进行无创VB9监测。 a VB9的代谢途径及其在补充后血清和汗液中的波动。b 48小时内VB9补充和采样的时间线。c和d 受试者1（c）和受试者2（d）汗液中VB9水平的时间变化。e 单个受试者三天内汗液中的VB9水平。f 8名受试者补充5 mg VB9前后汗液中VB9水平的比较（n=8名独立受试者）。底部和顶部须线表示最小值和最大值，箱边界表示四分位距（第25-75百分位数），箱内的方块表示平均值。g 汗液VB9水平与VB9补充剂量之间的关系。h 汗液和血清中VB9水平之间的相关性（r=0.849）。i 吸烟诱导VB9水平降低的机制。MS，甲硫氨酸合酶；CAs，儿茶酚胺；ROS，活性氧物种。j 两组参与者（吸烟组，n=8名独立受试者；从不吸烟组，n=7名独立受试者）汗液和血清中测得VB9水平的箱线图。底部和顶部须线表示最小值和最大值，箱边界表示四分位距（第25-75百分位数），箱内的方块表示平均值。

这项研究开发的集成可穿戴平台通过纳米材料介导的信号放大和生物识别元件，实现了对纳摩尔水平维生素的高灵敏、高选择性电化学检测，突破了单分析物监测的局限，实现了六种必需维生素的同时定量。通过自主微流体操作、按需出汗诱导和实时校准，该系统解决了汗液基质复杂这一长期存在的难题。特别是汗液与血清VB9的强相关性，以及吸烟者与不吸烟者之间显著的VB9水平差异，为这种无创营养评估技术在不同人群中的应用前景提供了有力支持。该平台大幅缩短了分析周转时间，使基于数据的饮食或补充剂快速调整成为可能。研究团队展望，这一生物传感平台有望成为缓解“隐性饥饿”和优化个性化营养干预的有力工具。超越维生素检测，该平台的模块化设计和超高灵敏度还可扩展到其他多种低丰度生物标志物的检测，为人工智能驱动的数字健康时代的整体生理学监测铺平道路。