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- 糖基穩(wěn)定劑破解汗液傳感器 “酸敏感” 難題，為實時健康監(jiān)測打開新局
- 來源：東京理科大學 發(fā)表于 2025/9/11
當運動員在賽道上全力沖刺，或是工人在高溫環(huán)境下作業(yè)時，汗液里藏著關(guān)乎健康的關(guān)鍵信息 —— 乳酸濃度。作為肌肉缺氧代謝的產(chǎn)物，乳酸水平不僅能幫運動員評估耐力、調(diào)整訓練強度，還能預警乳酸酸中毒等潛在健康風險。如今，商用汗液傳感器已能追蹤脫水、電解質(zhì)流失，但在乳酸檢測上卻長期受困于一個難題：汗液的酸性環(huán)境（pH 約 4.0）會讓傳感器核心的乳酸氧化酶（LOx）活性驟降，導致檢測精度大打折扣。近日，日本東京理科大學的研究團隊找到了解決方案 —— 他們用一種糖基化合物 “蔗糖單月桂酸酯” 作為穩(wěn)定劑，讓 LOx 在酸性條件下仍能保持高效活性，為更可靠的實時汗液乳酸監(jiān)測掃清了障礙。相關(guān)成果已發(fā)表在《Langmuir》期刊上。
要理解這一突破的意義，首先得弄清汗液乳酸傳感器的工作原理。這類傳感器的核心是附著在生物相容性電極上的乳酸氧化酶（LOx）：當汗液中的乳酸（L - 乳酸）與 LOx 接觸時，酶會催化乳酸氧化成丙酮酸，同時產(chǎn)生過氧化氫；過氧化氫在電極上發(fā)生電化學反應，生成與乳酸濃度對應的電流信號，最終轉(zhuǎn)化為可讀取的檢測結(jié)果。整個過程的關(guān)鍵在于 LOx 的活性 —— 可這種酶天生 “怕酸”，在中性環(huán)境（pH7.0）下表現(xiàn)最佳，一旦處于汗液的酸性環(huán)境中，活性就會大幅流失，直接影響檢測準確性。
此前，科研人員曾嘗試用麥芽糖等傳統(tǒng)糖類穩(wěn)定 LOx，但效果有限。而東京理科大學的團隊，在副教授飯?zhí)锕Γ↖sao Shitanda）的帶領(lǐng)下，發(fā)現(xiàn)蔗糖單月桂酸酯能帶來質(zhì)的飛躍。為驗證其效果，團隊制作了三種電極：無穩(wěn)定劑的空白電極、添加麥芽糖的電極，以及添加蔗糖單月桂酸酯的電極，并在中性（pH7.0）、弱酸性（pH6.0）和強酸性（pH5.0，模擬汗液酸性）環(huán)境中測試。結(jié)果顯示，無穩(wěn)定劑的電極在 pH5.0 時，LOx 活性僅剩 50%；添加麥芽糖的電極在 pH6.0 時略有改善，但到 pH5.0 時幾乎失效；而添加蔗糖單月桂酸酯的電極，在 pH5.0 時仍能保留約 80% 的 LOx 活性，檢測精度遠超前兩者。
是什么讓蔗糖單月桂酸酯有如此出色的保護能力？團隊通過掠入射小角 X 射線散射（GI-SAXS）技術(shù)，觀察到了電極表面的微觀結(jié)構(gòu)秘密：蔗糖單月桂酸酯會在電極表面自組裝成整齊的六邊形陣列和層狀納米結(jié)構(gòu)，當 LOx 被固定在電極上時，會恰好嵌入這些結(jié)構(gòu)的 “空隙” 中。這種納米級的 “保護殼” 有兩大關(guān)鍵作用：一方面能阻擋汗液中的氫離子（導致酸性的核心成分）接觸 LOx，避免酶的結(jié)構(gòu)被破壞；另一方面又能讓水分子和乳酸分子順利通過，確保 LOx 仍能與乳酸反應，不影響檢測過程。更巧妙的是，在稀釋溶液中，蔗糖單月桂酸酯還會形成核殼型膠束，進一步增強對酶的包裹保護，形成 “雙重防護”。
除了性能優(yōu)勢，蔗糖單月桂酸酯還具備商業(yè)化的關(guān)鍵特質(zhì)：安全、廉價且易于量產(chǎn)。作為一種常見的食品級添加劑，它對人體無毒副作用，避免了傳感器長期接觸皮膚可能帶來的安全隱患；同時，其生產(chǎn)成本遠低于其他新型穩(wěn)定劑，適合大規(guī)模生產(chǎn)。飯?zhí)锕Ω苯淌谥赋觯骸皩崟r汗液乳酸監(jiān)測對運動訓練、中暑預防都至關(guān)重要，我們的研究不僅解決了酸性環(huán)境下的酶穩(wěn)定性問題，更為高穩(wěn)定性酶電極和高性能生物設(shè)備的研發(fā)提供了新思路。”
這項技術(shù)的潛力還不止于乳酸檢測。研究團隊表示，蔗糖單月桂酸酯的穩(wěn)定機制可遷移到其他場景 —— 比如針對不同 pH 環(huán)境的傳感器，或是需要穩(wěn)定其他酶（如葡萄糖氧化酶，用于血糖監(jiān)測）的生物設(shè)備。這意味著，未來可能會出現(xiàn)更多基于糖基穩(wěn)定劑的汗液傳感器，既能檢測乳酸，還能實時監(jiān)測血糖、尿酸等指標，為個性化健康管理、運動科學甚至臨床診斷提供更便捷、可靠的工具。
從運動員手腕上的實時乳酸監(jiān)測儀，到高溫作業(yè)者的中暑預警手環(huán)，蔗糖單月桂酸酯的出現(xiàn)，讓汗液傳感器擺脫了 “酸敏感” 的束縛，向 “連續(xù)、精準、安全” 的目標邁出了關(guān)鍵一步。當小小的糖基分子為酶筑起 “防護盾”，汗液里的健康密碼，正被更清晰地解讀。
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