中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所在汗液氨基酸多模態(tài)傳感芯片及系統(tǒng)研制取得新進(jìn)展

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(guān)的生物標(biāo)記物可用于無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)，近年來(lái)受到了可穿戴健康電子領(lǐng)域的極大關(guān)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(duì)個(gè)體的智力發(fā)育、健康維持、免疫反應(yīng)等方面十分重要。但是，由于缺乏合適的高靈敏度檢測(cè)方式以及可靠的汗液-血液苯丙氨酸水平相關(guān)性研究依據(jù)，汗液中的苯丙氨酸很少被可穿戴汗液生物傳感技術(shù)探索開(kāi)發(fā)作為生物標(biāo)記物用于健康監(jiān)測(cè)。

鑒于此，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所王麗麗研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一款可穿戴多模式生物傳感芯片集成系統(tǒng)用于對(duì)汗液中的苯丙氨酸、氯離子濃度指標(biāo)以及汗液流失指標(biāo)(出汗量、出汗率)進(jìn)行準(zhǔn)確的多模態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)。在該集成系統(tǒng)中，研究團(tuán)隊(duì)提出了可用于苯丙氨酸直接氧化法檢測(cè)的高靈敏度、高選擇性可穿戴傳感電極。此外，還開(kāi)發(fā)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(cè)量以及穩(wěn)定的苯丙氨酸傳感。最后，通過(guò)集成后端柔性電路和定制化手機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了傳感信號(hào)的多通道采集、無(wú)線傳輸以及自動(dòng)讀數(shù)。

作為實(shí)際醫(yī)學(xué)應(yīng)用展示，半導(dǎo)體所與天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院合作，開(kāi)發(fā)的生物傳感集成系統(tǒng)被用于監(jiān)測(cè)受試者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的多個(gè)汗液生物指標(biāo)?；诙辔皇茉囌叩膶?shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了不同身體質(zhì)量指數(shù)的人群之間汗液苯丙氨酸濃度有顯著差異，這歸因于個(gè)體間的出汗率差異，同時(shí)，還提出了汗液苯丙氨酸濃度和出汗率得到的復(fù)合指標(biāo)(汗液苯丙氨酸流失率)用于有效地評(píng)估個(gè)體的運(yùn)動(dòng)代謝狀態(tài)與潛在風(fēng)險(xiǎn)。最后，研究團(tuán)隊(duì)更進(jìn)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(guān)系，通過(guò)出汗率標(biāo)準(zhǔn)化濃度指標(biāo)來(lái)減小個(gè)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(guān)性，證明該多模式生物芯片傳感集成系統(tǒng)具有對(duì)不同人群的汗液苯丙氨酸分析的普適性。上述結(jié)果表明結(jié)合出汗率檢測(cè)及多模態(tài)分析，汗液苯丙氨酸有被開(kāi)發(fā)為可靠生物標(biāo)記物的臨床應(yīng)用前景，用于無(wú)創(chuàng)的代謝狀態(tài)評(píng)估，甚至相關(guān)的疾病診斷。

上述研究成果以“interindividual- and blood-correlated sweat phenylalanine multimodal analytical biochips for tracking exercise metabolism”為題發(fā)表于《自然通訊》期刊(nature communications)。半導(dǎo)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(xiàng)目得到了中國(guó)科學(xué)院高層次人才項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。