Носимый электрохимический биосенсор для мониторинга метаболитов и питательных веществ

Nature Biomedical Engineering, том 6, страницы 1225–1235 (2022 г.) Процитировать эту статью

68 тысяч доступов

60 цитат

282 Альтметрика

Подробности о метриках

Носимые неинвазивные биосенсоры для непрерывного мониторинга метаболитов в поте могут обнаруживать несколько аналитов в достаточно высоких концентрациях, обычно во время энергичных физических упражнений, чтобы генерировать достаточное количество биожидкости. Здесь мы сообщаем о конструкции и характеристиках носимого электрохимического биосенсора для непрерывного анализа в поту во время физических упражнений и в состоянии покоя следовых уровней нескольких метаболитов и питательных веществ, включая все незаменимые аминокислоты и витамины. Биосенсор состоит из графеновых электродов, которые можно многократно регенерировать in situ, функционализированных метаболит-специфичными антителоподобными молекулярно-импринтированными полимерами и окислительно-восстановительными репортерными наночастицами, а также интегрированы с модулями для индукции пота на основе ионофореза, микрофлюидного отбора проб пота, обработки сигналов и калибровка и беспроводная связь. У добровольцев биосенсор позволял в режиме реального времени отслеживать поступление аминокислот и их уровень во время физических упражнений, а также оценивать риск развития метаболического синдрома (путем корреляции уровней аминокислот в сыворотке крови и поте). Мониторинг метаболитов для раннего выявления аномальных состояний здоровья может облегчить применение в точном питании.

Циркулирующие питательные вещества являются важными показателями общего состояния здоровья и функций организма1. Аминокислоты (АК), поступающие с пищей и синтезом кишечной микробиоты и находящиеся под влиянием личного образа жизни, являются важными биомаркерами ряда заболеваний (рис. 1а)2. Повышенное содержание аминокислот с разветвленной цепью (BCAA), включая лейцин (Leu), изолейцин (Ile) и валин (Val), связано с ожирением, резистентностью к инсулину и будущим риском развития сахарного диабета 2 типа (СД2), сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ). и рак поджелудочной железы3,4,5. Дефицит аминокислот (например, аргинина и цистеина) может ослабить иммунную систему за счет снижения активации иммунных клеток6. Триптофан (Trp), тирозин (Tyr) и фенилаланин (Phe) являются предшественниками нейромедиаторов серотонина и катехоламинов (дофамина, норадреналина и адреналина) соответственно и играют важную роль в функционировании сложных нервных систем и психическом здоровье7,8. Ряд метаболических показателей (включая лей, фен и витамин D) связан с тяжестью коронавирусной болезни 2019 года (COVID-19)9,10. Неравенства в отношении здоровья и питания также хорошо коррелируют с тревожными расовыми и этническими различиями, которые усугубляются уязвимостью и смертностью от COVID-1911. Более того, дисфункция органов и тканей, вызванная тяжелым острым респираторным синдромом коронавируса 2, может привести к увеличению заболеваемости кардиометаболическими заболеваниями12.

а. Циркулирующие питательные вещества, такие как аминокислоты, связаны с различными физиологическими и метаболическими состояниями. б. Схема носимого устройства NutriTrek, которое позволяет осуществлять мониторинг метаболизма посредством синергетического слияния LEG, RAR и искусственных антител. c,d, Схема (c) и сборка слоев (d) микрожидкостного пластыря NutriTrek для индукции потоотделения, отбора проб и биосенсорства. Т, температура. e, f, изображения гибкой сенсорной накладки (e) и носимой системы, взаимодействующей с кожей (f). Масштабные линейки: 5 мм (д) и 2 см (е). г, Блок-схема электронной системы «НутриТрек». Модули, обведенные красными черточками, включены в версию для умных часов. ЦП, центральный процессор; ПОТ – потенциометрия; In-Amp, инструментальный усилитель; MCU, микроконтроллер; TIA, трансимпедансный усилитель; ИП, ионофорез; CE, противоэлектрод; RE – электрод сравнения; МЫ, рабочий электрод. h. Специальное мобильное приложение для отслеживания метаболизма и питания в режиме реального времени. i, умные часы NutriTrek с одноразовым сенсорным пластырем и электрофоретическим дисплеем. Масштабные линейки: 1 см (вверху) и 5 см (внизу).

2,500 °C), chemical bonds in the PI network are broken and thermal re-organization of the carbon atoms occurs, resulting in sheets of graphene structures. The optimized parameters for the graphene electrodes and electronic connections were power 8%, speed 15%, and points per inch (PPI) 1,000 in raster mode with three-time scan. For the active sensing area of the temperature sensor, the optimized parameters were power 3%, speed 18%, and PPI 1,000 in vector mode with one-time scan. To prepare the reference electrode, Ag was first modified on the corresponding graphene electrode by multi-current electrodeposition with electrochemical workstation (CHI 832D) at −0.01 mA for 150 s, −0.02 mA for 50 s, −0.05 mA for 50 s, −0.08 mA for 50 s and −0.1 mA for 350 s using a plating solution containing 0.25 M silver nitrate, 0.75 M sodium thiosulfate and 0.5 M sodium bisulfite. To obtain the Ag/AgCl electrode, 0.1 M FeCl3 solution was further dropped on the Ag surface for 30 s, and then 3 µl polyvinyl butyral (PVB) reference cocktail prepared by dissolving 79.1 mg of PVB and 50 mg of NaCl in 1 ml of methanol was dropped on the Ag/AgCl electrode and dried overnight. The Na+-selective electrode was prepared as follows: 0.6 µl of Na+-selective membrane cocktail prepared by dissolving 1 mg of Na ionophore X, 0.55 mg sodium tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]borate, 33 mg polyvinyl chloride and 65.45 mg bis(2-ethylhexyl) sebacate into 660 µl of tetrahydrofuran was drop-casted onto the graphene electrode and dried overnight. To obtain the desired stable Na+-sensing performance for long-term continuous measurements, the obtained Na+ sensor was conditioned overnight in 100 mM NaCl./p>

Новости

Носимый электрохимический биосенсор для мониторинга метаболитов и питательных веществ