Nature Communications · 2026 · Article in Press
可穿戴电化学传感 · 纳摩尔级检测 · 个性化营养
🎯 6种维生素同步检测|📊 LOD最低 0.33 nM|🔗 汗液-血清 r=0.849|✅ ELISA验证 r=0.989
■ 📖 导语
一边是全球超20亿人面临的"隐性饥饿"，亟需精准的营养干预；另一边却是传统的血液检测需要抽血、离心，不仅痛苦且无法做到实时反馈。我们渴望像看手表一样随时了解身体缺什么维生素，但现实总是被汗液中极低的维生素浓度（纳摩尔级别）和复杂的干扰物质所阻碍。
如何让皮肤本身成为一台"移动的生化实验室"？
中国工程院院士、中国农业大学任发政教授与张昊教授团队给出了一份颠覆性的答卷：他们开发出一种基于金纳米花与硫氮共掺杂碳（AuNF/SNC）的柔性可穿戴设备。该系统巧妙地将电渗导汗、微流控采样与电化学传感融为一体，成功实现了对汗液中6种痕量维生素的纳摩尔级实时监测，为个性化营养管理打开了全新的维度。
■ ⚡ 成果速览
🎯 6种维生素同步检测（VB₁、VB₂、VB₇、VB₉、VB₁₂、VD）
📊 LOD范围：0.33–0.62 nM（VB₉最低，仅0.33 nM）
🔗 汗液-血清相关性：r = 0.849
✅ ELISA验证相关系数：r = 0.989
📏 线性范围：1–100 nM（覆盖汗液生理相关浓度）
针对微量营养素缺乏症诊断中传统血液检测侵入性强、耗时长的核心痛点，如何实现对低丰度维生素的无创、实时监测成为数字健康领域的关键挑战。
为此，中国农业大学研究团队构建了一种基于亲和力的可穿戴电化学传感平台，采用生物受体功能化的金纳米花/硫氮共掺杂碳（AuNF/SNC）作为核心传感界面，结合离子电渗导汗和微流控采样技术，实现了对汗液中6种低浓度维生素的高效捕获与定量。
测试表明，该系统具有纳摩尔级超高灵敏度，6种维生素的检测下限均在0.33–0.62 nM范围内，并可通过集成的pH和离子强度传感器进行实时校准。在人体实验中，该设备成功追踪了口服补充和饮食干预后汗液VB₉的动态变化，证实了汗液与血清浓度的高度相关性（r = 0.849），与ELISA金标准的Pearson相关系数高达r = 0.989。
综上，该研究通过材料创新、系统集成与临床验证的三位一体，构建了迄今最完整的汗液维生素无创监测平台，为个性化精准营养管理奠定了坚实的技术基础。以“Real-time Nanomolar Vitamin Monitoring in Sweat using an Electrochemical Skin-attached Device”为题发表在Nature Communications（2026，Article in Press）。第一作者为Xue Wang（中国农业大学营养与健康系）。
■ 🌐 研究背景
维生素缺乏症与多种严重疾病密切相关——VB₉（叶酸）缺乏可导致巨幼细胞贫血和神经管缺陷，VD缺乏则引发钙磷代谢紊乱和骨骼发育迟缓。全球有超过20亿人受到此类"隐性饥饿"的困扰，凸显了对人体营养状态进行动态、精准监测的极端重要性。
近年来，可穿戴汗液传感器在无创健康监测领域取得了显著进展：通过检测尿酸来管理痛风风险，通过监测葡萄糖和氨基酸来评估代谢综合征，汗液分析与血液水平的强相关性已在多种生物标志物中得到验证，展示了其作为非侵入性生理评估工具的巨大潜力。
然而，由于汗液中维生素的生理浓度极低（通常在纳摩尔级别），加之汗液基质成分复杂且个体间波动显著，现有的酶电极或直接氧化策略往往缺乏足够的灵敏度和选择性，导致对痕量维生素的连续在体监测举步维艰。此外，单一分析物传感器的局限性和缺乏将汗液维生素水平与临床金标准关联的稳健数据，进一步制约了该领域的发展。
为打破这一技术瓶颈，迫切需要开发一种结合纳米材料介导的信号放大机制与高特异性生物识别元件的新型传感平台，并通过集成实时校准和微流控技术，实现对汗液维生素的精准捕获和可靠定量分析，从而推动个性化精准营养的临床转化。
■ ✨ 本文亮点
亮点一：AuNF/SNC纳米复合材料的"信号放大魔法"
本研究创新性地采用一步电化学掺杂法合成了硫氮共掺杂碳（SNC），并在其表面电沉积金纳米花（AuNF），构建了AuNF/SNC纳米复合材料。SNC表面丰富的缺陷位点（XPS证实C 1s谱中289.2 eV处羧基占比达4.68%）不仅有效调控了AuNF的均匀成核与生长，还显著提升了电极的有效比表面积和电子转移速率。
相比于SNC改性电极，AuNF/SNC使电流响应提升了3.3倍；相比于AuNF/C改性电极，提升了3.5倍。这赋予了传感器纳摩尔级的超高检测下限，6种维生素的LOD均在亚纳摩尔量级（VB₉最低，仅0.33 nM）。
6种维生素检测性能汇总（数据来源：原文 Fig. 2p 及 Supplementary Table 2）
维生素 | 生物识别元件（BRE） | 检测下限（LOD） | 线性范围 |
VB₁ | 单克隆抗体 | 0.51 nM | 1–100 nM |
VB₂ | 单克隆抗体 | 0.62 nM | 1–100 nM |
VB₇ | 链霉亲和素 | 0.37 nM | 1–100 nM |
VB₉ | 叶酸结合蛋白（FBP） | 0.33 nM ★ | 1–100 nM |
VB₁₂ | 内因子（IF） | 0.42 nM | 1–100 nM |
VD | 单克隆抗体 | 0.57 nM | 1–100 nM |
★ 最低检测下限
亮点二：高度集成的"微型生化实验室"
该可穿戴平台并非单一的传感器，而是一个集成了多种功能的自动化系统。
它包含了用于按需诱导出汗的离子电渗模块（160 μA，≈2.6 μA mm⁻²，持续5分钟）、防止液体回流的对称特斯拉阀微流控通道，以及预装试剂的柔性PDMS腔室。系统内嵌pH传感器（R² = 0.994，pH 4–8）和离子强度传感器，能够实时校正信号偏差。在1.5 μL min⁻¹的生理汗液流速下，仅需4.5分钟即可完成信号刷新，并通过蓝牙低功耗（BLE）模块将数据实时传输至智能手机。
■ 🖼️ 图文解析
Figure 1 | 可穿戴维生素监测平台的系统架构与工作流程 |
包含系统总体设计（a-f）：整体架构图、传感器贴片设计、电极阵列、离子电渗模块、FPCB电路板及柔性弯曲测试
本图全景式地展示了可穿戴维生素监测平台的完整架构与工作逻辑。系统由一次性柔性传感器贴片和可重复使用的柔性印刷电路板（FPCB）两部分组成，实现了耗材成本的有效控制。
贴片集成了三大核心模块：①采用低成本、高通量丝网印刷制备的多路复用电化学传感器阵列，可同时检测维生素、pH和离子强度；②由碳阳极和阴极对称排列并结合卡巴胆碱水凝胶的离子电渗电极，用于按需诱导出汗；③激光雕刻的微流控模块，配合PDMS试剂腔室实现样品的自动化处理。
FPCB通过蓝牙低功耗（BLE）模块将处理后的信号无线传输至智能手机，整个系统维持了与皮肤的共形接触，保证了日常活动中的稳定监测性能。
💡 技术启示：将微流控、按需导汗与无线传输深度融合，并以"一次性贴片+可重复使用电路板"的模块化设计降低使用成本，是实现可穿戴设备从"实验室原型"向"实用化产品"跨越的关键路径。
Figure 2 | AuNF/SNC传感器的制备表征与超高灵敏度验证 |
包含传感器制备流程（a）、XPS表征（b）、SEM/TEM/AFM/XRD形貌表征（c-f）、电化学表征（g-j）及6种维生素的DPV响应曲线（k-q）
本图系统性地呈现了AuNF/SNC复合电极的制备过程及其卓越的电化学性能。
在材料表征方面，XPS谱图中增强的S 2p和N 1s峰证实了硫氮的成功共掺杂，拉曼光谱中ID/IG比值的降低表明缺陷浓度升高，SEM/TEM图像则直观展示了AuNF在SNC表面的均匀分布。
在电化学性能方面，DPV测试显示该传感器对6种目标维生素均展现出1–100 nM的宽线性范围，其中VB₉的LOD低至0.33 nM。相比于SNC改性电极，AuNF/SNC将电流响应放大了3.3倍；相比于AuNF/C改性电极，放大了3.5倍。选择性测试表明，在多种潜在干扰物（尿酸、多巴胺、葡萄糖等）共存时，传感器依然保持极高的特异性。
💡 技术启示：利用杂原子掺杂与纳米结构设计的协同效应——杂原子提供丰富的缺陷位点和羧基锚定点，纳米花形貌提供超大比表面积——可以突破传统电化学传感在电子转移速率和生物受体负载量上的物理极限。
Figure 4 | 在体动态监测：从实验室到真实场景的跨越 |
包含在体验证实验设计（a-b）及口服VB₉补充（c）和富含VB₉饮食（d）后的汗液VB₉动态曲线
本图展示了系统在真实场景下的应用潜力与临床相关性。
受试者在口服5 mg VB₉后，设备实时记录了汗液中VB₉浓度的显著上升，相对基线增加超过3.6倍（Fig. 4c）；食用富含VB₉的饮食后3小时，VB₉水平增加超过1.6倍（Fig. 4d）。同时，集成的pH和离子强度传感器同步工作，确保了数据的准确性。这些结果直接证明了该平台能够敏锐捕捉营养干预带来的生理变化，并与ELISA参考方法高度吻合（r = 0.989）。
💡 技术启示：多参数联合监测与实时校准机制，是克服个体差异、提升在体监测数据可靠性的必由之路；能够追踪营养干预后的动态药代动力学曲线，是可穿戴传感器从"定性监测"向"定量指导"升级的核心价值所在。
Figure 5 | 汗液-血清相关性与人群差异：通向临床的关键证据 |
包含VB₉生理意义（a）、口服补充的时间曲线（b-d）、3天连续监测（e）、队列研究（f）、剂量-响应关系（g）、汗液-血清相关性散点图（h）及吸烟者vs非吸烟者对比（i-j）
本图揭示了汗液维生素作为非侵入性生物标志物的临床价值。
通过长期的队列研究（n=8），扩展队列的基线VB₉浓度在1–9 nM，口服5 mg VB₉后增至12–32 nM，证实了汗液VB₉水平与血清浓度之间存在强相关性（r = 0.849）。3天连续监测实验进一步证明了信号的高度特异性——在无补充的第1-2天，VB₉持续低位；仅在第3天口服补充后才出现显著上升。更有趣的是，数据清晰地显示吸烟者的汗液和血清VB₉水平均显著低于非吸烟者，有力验证了该技术在不同人群中的生理相关性和准确性。
💡 技术启示：寻找并验证可靠的"汗液-血液"相关性映射，并通过对已知生理效应（如吸烟对VB₉的影响）的准确捕捉来交叉验证传感器的生理相关性，是推动可穿戴化学传感器进入临床诊断指南的核心里程碑。
■ 🎓 苏格拉底式问题（选几个呗）
Q1. 为什么传统的电化学方法难以直接检测汗液中的维生素？
汗液中维生素的生理浓度极低（通常在纳摩尔级别），且传统电极存在电子转移速率缓慢的问题，加之汗液中存在大量浓度更高的电活性干扰物质（如尿酸、多巴胺等），导致传统方法的灵敏度和选择性均不足以实现痕量维生素的准确定量。 |
Q2. 如何通过材料设计提升传感器的信号响应？
通过一步电化学掺杂合成硫氮共掺杂碳（SNC），增加表面缺陷浓度和羧基含量，进而调控金纳米花（AuNF）的均匀成核与生长。这种AuNF/SNC复合结构增加了电化学活性表面积，改善了电子转移反应动力学，并为生物受体的共价固定提供了丰富的锚定位点，从而实现3.3–3.5倍的信号放大。 |
Q3. 为什么在传感器阵列中需要集成pH和离子强度传感器？
出汗是一个复杂的过程，pH和离子强度在不同个体和不同时间会发生显著波动。基于亲和力的传感器对这些反应条件非常敏感，pH和离子强度的变化会直接影响抗体-抗原的结合亲和力，从而引入定量误差。集成这两个传感器可以进行实时校准，消除基质效应，使校准后的ELISA相关系数从未校准状态显著提升至r = 0.989。 |
Q4. 如何实现对不同种类维生素的广谱检测？
系统采用了模块化的生物识别元件（BREs）接口。通过在AuNF/SNC电极表面的羧基上共价固定不同的特异性受体（如链霉亲和素检测VB₇，叶酸结合蛋白检测VB₉，内因子检测VB₁₂，或特定单克隆抗体检测VB₁、VB₂、VD），即可实现对多种维生素的定量，且各通道之间交叉反应性极低。 |
Q5. 为什么选择采用竞争性结合的检测机制？
在竞争性检测中，汗液中的目标维生素与预装的辣根过氧化物酶偶联维生素（HRP-vitamin）竞争结合电极表面的受体。这种方式将难以直接发生电化学反应的维生素浓度，转化为HRP催化H₂O₂还原（经氢醌HQ介导）产生的易于测量的阴极电流，且电流大小与目标维生素浓度成反比，实现了间接但高灵敏度的定量检测。 |
Q6. 如何解决久坐人群出汗量不足的问题？
系统集成了一个离子电渗模块，包含碳电极和载有卡巴胆碱（carbachol）的水凝胶基质。施加160 μA的恒定电流后，卡巴胆碱经皮递送，持续激活汗腺，从而在静息状态下也能实现按需、高产率的汗液提取，无需受试者进行剧烈运动，大幅拓展了该技术的适用人群。 |
Q7. 对比传统血液检测，该可穿戴设备的核心优势体现在哪里？
传统血液检测具有侵入性、耗时长、无法实时反馈的缺点。该设备不仅无创，还能通过连续监测揭示维生素吸收的动态药代动力学曲线（如口服后3小时内的浓度变化），并能及时反映饮食或补充剂干预的效果，为个性化营养调整提供即时数据支持，这是传统单次血液检测所无法实现的。 |
Q8. 为什么吸烟者的VB₉水平会显著偏低？
香烟烟雾中的成分会抑制甲硫氨酸合成酶的活化，阻碍重新甲基化途径，将VB₉困锁在5-甲基四氢叶酸的形式中；同时，吸烟增加的儿茶酚胺水平和氧化应激会改变基础代谢率，导致VB₉失活，从而降低血清和汗液中的VB₉水平。该设备准确捕捉到了这一已知生理效应，验证了其生物标志物检测的可靠性。 |
Q9. 如何防止微流控通道中的液体回流污染皮肤？
在微流控模块的入口层集成了一个对称的特斯拉阀（Tesla valve）结构。这种特殊的几何设计利用流体力学原理，在正向流动时阻力小，在反向流动时阻力大，从而有效阻止了试剂溶液（HRP-vitamin和HQ/H₂O₂）向皮肤方向的回流，保障了检测的安全性和可靠性。 |
Q10. 预测这项技术未来在个性化营养领域的应用前景？
通过建立更精确的"汗液-血液"校准模型（如利用个体化映射算法修正Bland-Altman分析中发现的比例偏差）和引入AI驱动的数字健康算法，该技术有望成为评估个人营养状态的常规工具，指导精准的饮食调整和补充剂摄入。其模块化的高灵敏度设计还可扩展至其他低丰度生物标志物（如激素、药物代谢物等）的全面生理分析。 |
📄 DOI：10.1038/s41467-026-72356-1
📅 接收日期：2025年10月20日|接受日期：2026年3月30日
🏛️ 通讯单位：中国农业大学营养与健康系 / 食品科学与营养工程学院
✉️ 通讯作者：任发政 院士|张昊 教授（zhanghaocau@cau.edu.cn）
图文编辑 | 蓝胖子i纺织（ID: Fami2y）
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