具有3D折紙結(jié)構(gòu)的雙信號讀出紙基可穿戴生物傳感器

汗液中含有許多化學(xué)物質(zhì)，包括水、代謝物（葡萄糖、尿酸、乳酸、皮質(zhì)醇和乙醇）、電解質(zhì)和大分子等。這些化學(xué)物質(zhì)與多種疾病密切相關(guān)?？傮w而言，葡萄糖、乳酸和尿酸與常見的生理障礙有關(guān)，而氫離子（H?）、鎂離子（Mg2?）和皮質(zhì)醇濃度是評估精神壓力的生化指標。

隨著柔性材料和電子技術(shù)的發(fā)展，可穿戴傳感器得到了進一步的發(fā)展，從而極大地促進了汗液檢測。然而，可穿戴汗液傳感器目前仍有一些缺點。首先，基于比色傳感的可穿戴汗液傳感器，其最終顏色的均一性對檢測結(jié)果有很大的影響，且比色信號容易受到光、距離和角度的影響。其次，不同分析目標的最佳響應(yīng)時間不同，因而不能同時捕獲最佳比色信號。最后，不同的汗液分析物的檢測方式不同，因此需要不同的檢測方法。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，上海交通大學(xué)的研究人員設(shè)計并制備了一種易于使用的低成本、紙基貼片可穿戴微流控汗液傳感器。該微流控汗液傳感器主要由兩個部分組成：微流控通道和傳感區(qū)域。其結(jié)構(gòu)如圖1a、1b所示，自下而上形成了一個包括收集層（L1）、垂直通道（L2）、電極層、水平通道（L3）、比色傳感層（L4）和汗液蒸發(fā)層（L5）的3D通道。該微流控汗液傳感器可同時對人體汗液中的葡萄糖、乳酸、尿酸、Mg2?、皮質(zhì)醇等多種物質(zhì)及其相應(yīng)的pH值進行無創(chuàng)、貼身檢測。相關(guān)研究成果以“Dual-signal readout paper-based wearable biosensor with a 3D origami structure for multiplexed analyte detection in sweat”為題，發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

圖1 紙基可穿戴微流控?zé)o創(chuàng)汗液傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

該微流控汗液傳感器檢測原理如圖2所示。其中，汗液中葡萄糖、乳酸和尿酸的檢測（圖2a、2b）依賴于相應(yīng)的氧化酶/辣根過氧化物酶（HRP）級聯(lián)反應(yīng)。具體而言，在HRP的催化下，汗液中的目標檢測物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)從而產(chǎn)生過氧化氫（H?O?），隨后H?O?氧化3,3',5,5'-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）生成藍色的TMBox。而pH的檢測（圖2c）使用pH指示劑（石蕊和溴酚藍），當(dāng)pH值在3到8之間變化時，指示劑顏色將從黃色變?yōu)樽仙?。對于Mg2?的檢測（圖1d），該研究使用鉻黑T指示劑與Mg2?相互作用，使其顏色從藍色變?yōu)樽仙?。最后，皮質(zhì)醇電化學(xué)傳感器（圖1e）依賴于皮質(zhì)醇與聚吡咯（PPy）的選擇性結(jié)合，從而阻止來自嵌入式普魯士藍（PB）氧化還原探針的電子轉(zhuǎn)移。通過汗液中的皮質(zhì)醇濃度來確定皮質(zhì)醇和PPy的結(jié)合，從而對皮質(zhì)醇進行定量分析。

圖2 汗液中六種生物標志物的檢測原理

為了優(yōu)化該傳感器的檢測性能，研究人員通過使用人工汗液樣本，研究并優(yōu)化了每個檢測目標的實驗條件（RGB值的選擇、反應(yīng)時間、試劑濃度等）。通過對HRP、氧化酶、TMB濃度和指標的優(yōu)化，得到了功能化的改性濾紙。在最佳條件下，比色信號與葡萄糖、乳酸、尿酸、pH和Mg2?濃度的相關(guān)關(guān)系如圖3所示，其R2分別為0.997、0.991、0.995、0.994、0.992。

圖3 比色信號與汗液中葡萄糖（a）、乳酸（b）、尿酸（c）、pH值（d）、鎂離子（e）和皮質(zhì)醇（f）濃度的相關(guān)性

隨后，研究人員還研究了該微流控汗液傳感器對6種生物標志物的檢測是否存在串?dāng)_問題。研究結(jié)果顯示，該傳感器對各種生物標志物的選擇性較好，無串?dāng)_出現(xiàn)。此外，由于該微流控汗液傳感器芯片是一次性的，在相同的實驗條件下，研究人員通過使用五個微流控汗液傳感器芯片檢測相同的樣品來評估其可重復(fù)性。結(jié)果表明，基于比色傳感原理的五種生物標志物產(chǎn)生的顏色信號沒有顯著差異，且基于電化學(xué)傳感原理的皮質(zhì)醇傳感器的結(jié)果也是一致的。

最后，該研究對所提出的微流控汗液傳感器進行了人體貼身檢測測試，結(jié)果驗證了其一致性和可靠性。因此，該可穿戴微流控汗液傳感器在汗液中多種生物標志物的無創(chuàng)檢測方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖4 使用微流控汗液傳感器檢測五名成年志愿者的汗液生物標志物水平

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-023-00514-2

審核編輯 ：李倩