出汗吧！穿戴式微流感測器可實時測量乳酸濃度

【導讀】：科學家開發出新的生物感測裝置，可在體育鍛煉過程中化學監測肌肉狀態。

乳酸（汗液中存在的化合物）是運動過程中量化的重要生物標誌物。但是，可用的可穿戴感測器可能會引起面板刺激，這需要使用不同的材料。在最近的一項研究中，東京科學大學的科學家開發了一種柔軟且無刺激性的微流體感測器，用於實時測量汗液中乳酸的濃度。這種可穿戴裝置將有助於在激烈的體育鍛煉或工作期間監視身體的狀態。

隨著小型化和材料科學領域似乎不可阻擋的進步，各種電子裝置應運而生，以幫助我們過上更輕鬆，更健康的生活。穿戴式感測器屬於此類，近來它們作為實時監測人的健康的有用工具受到了廣泛關注。許多這樣的感測器透過量化生物標記物，即反映人的健康狀況的可測量指示劑來進行操作。廣泛使用的生物標誌物是心率和體溫，可以相對輕鬆地對其進行連續監測。相反，體液（例如血液，唾液和汗液）中的化學生物標記物對可穿戴式感測器的量化更具挑戰性。

例如，乳酸在組織中不存在氧氣的情況下在葡萄糖分解過程中產生，是血液和汗液中都存在的重要生物標誌物，它反映了體育鍛煉的強度以及肌肉的氧合。在運動過程中，需要能量的肌肉會迅速耗盡氧氣，然後回到另一條新陳代謝途徑，以積累乳酸的"成本"提供能量，這會引起疼痛和疲勞。乳酸然後被釋放到血液中，並且一部分透過汗液被消除。這意味著可穿戴式化學感測器可以測量汗液中乳酸的濃度，以實時顯示運動強度或肌肉狀況。

儘管已經提出了可測量乳酸鹽的可穿戴感測器，但是大多數感測器都是由會引起面板刺激的材料組成的。為了解決這個問題，日本的一個科學家團隊最近進行了一項研究，為我們提供了一種更加舒適實用的感測器。他們的工作是發表於Electrochimica Acta由日本東京科學大學純粹與應用化學系的Shitanda Isao副教授，Mitsumoto Masaya先生和Noya Loew博士領導。

在可穿戴式感測器的設計中使用無刺激性的材料非常重要，該感測器用於量化運動過程中的乳酸水平。

該團隊首先關注他們將在感測器中採用的感測機制。大多數乳酸生物感測器是透過將乳酸氧化酶（一種酶）和適當的介體固定在電極上製成的。涉及乳酸氧化酶，介體和遊離乳酸的化學反應會導致電極之間產生可測量的電流，該電流與乳酸的濃度大致成比例。

這裡一個棘手的方面是如何將酶和介體固定在電極上。為此，科學家採用了一種稱為"電子束誘導的接枝聚合"的方法，透過該方法，功能分子與可以自發結合酶的碳基材料結合。然後，研究人員將這種材料變成了可用於印刷電極的液體墨水。正如Shitanda博士所言，最後一部分是感測器未來商業化的重要方面，"我們的感測器的製造與絲網印刷相容，絲網印刷是一種可按比例放大的輕巧，柔性電極的出色製造方法。進行批次生產。"

完成感應機制後，團隊設計了一個合適的系統來收集汗水並將其傳送到感測器。他們透過由聚二甲基矽氧烷（PDMS）製成的微流汗收集系統實現了這一目標。它包括多個小入口，一個出口以及一個用於感測器之間的腔室。

Mitsumoto先生說："我們決定使用PDMS，因為它是一種柔軟，無刺激性的材料，適用於我們的微流汗收集系統，該系統與面板直接接觸。"

感測器的檢測限及其對乳酸濃度的操作範圍已確定適合於研究"乳酸閾值"，即運動過程中有氧（有氧）代謝變為無氧（無氧）代謝的時間點。實時監測這種身體現象對於多種應用非常重要，正如Loew博士所說："監測乳酸閾值將有助於最佳化運動員的訓練以及康復患者和老年人的鍛鍊程式，並控制運動的進行。像消防員這樣的高績效工人。"

該團隊已經在實際場景中測試該感測器的實現。幸運的是，這項研究取得的進展將有助於發展可穿戴化學感測器的領域，幫助我們更好地跟蹤身體過程並保持健康。