一種用于無創(chuàng)追蹤人體體液中維生素C濃度的汗液電化學傳感器

營養(yǎng)狀況監(jiān)測在維系人體健康和預防疾病中起著重要的作用。維生素C，也稱為抗壞血酸，是一種人體必需營養(yǎng)素，其可以提高人體免疫力，促進手術后傷口的恢復。在健康人類血清中維生素C含量為50μM~70 μM，汗液中的濃度則為10μM~50 μM。維生素C的適當攝入可以促進人體健康。體內缺乏維生素C可能會導致壞血病、肌無力、皮膚和牙齦出血等疾病，而過量的維生素C可能會導致腎結石、惡心、腹瀉等疾病。因此，開發(fā)用于快速監(jiān)測維生素C的高性能、可靠的傳感器對于公共衛(wèi)生保健具有重要意義。

近期，吉林大學張彤教授課題組在ACS AMI雜志在線發(fā)表了題為“Nonenzymatic Flexible Wearable Biosensors for Vitamin C Monitoring in Sweat”的論文，第一作者為朱崇繪博士，通訊作者為張彤教授。該研究通過具有較強酸性和高度對稱的環(huán)狀結構植酸功能化聚苯胺（PANI）薄膜，構建了非酶基電化學傳感器，實現(xiàn)了對維生素C的高靈敏的監(jiān)測。并設計了一個簡單的、便攜式維生素C檢測系統(tǒng)，為可穿戴汗液檢測設備在營養(yǎng)指導方面的應用提供了一個新的思路。

在這項研究中，研究人員將苯胺單體加入到含有引發(fā)劑和有機酸的溶液中，通過界面合成法制備了植酸摻雜的PANI薄膜。24小時后，在空氣-水界面出現(xiàn)一層均勻且連續(xù)生長的PANI薄膜。苯胺低聚物沉積在容器底部，不參與成膜。PANI薄膜中摻雜的有機酸結構為電子轉移到活性分子提供了有利的位點，可以加速電子在電極表面和生物分子之間的轉移。這種PANI薄膜可以通過簡單的提拉法轉移到絲網印刷電極上以供測試（圖1）。



圖1 聚合物薄膜的合成示意圖

為了評估該傳感器在實際應用中的實用性，對受試者的汗液以及唾液中的維生素C含量進行了檢測。在四名受試者服用1300 mg維生素C前后，收集他們的汗液以檢測傳感器電流的變化。通過服用維生素C前后的電流差來估計△I的信號變化。在90 min的監(jiān)測時間內，所有志愿者汗液中的維生素C含量都有所增加，但是△I的值略有不同，這可能是由于個人的新陳代謝、體重、飲食習慣等因素的差異。

唾液是一種容易獲得的體液，在現(xiàn)場測試中具有廣闊的應用前景。因此，在服用維生素C后，對唾液進行監(jiān)測。采集的唾液樣本沒有經過任何處理，直接用于測試。結果顯示，響應電流值在60 min之后逐漸降低。唾液中最大響應電流的時間與汗液中的不同，這是由于維生素C分子通過不同的代謝途徑從血漿排泄到不同的體液中導致（圖2）。上述結果表明，該傳感器在個性化營養(yǎng)指導方面具有一定的應用潛力。



圖2 維生素C的檢測過程示意圖：（a）在0-90 min內，傳感器對四個測試對象的汗液（b）和唾液（c）中維生素C的電流變化；（d）檢測模塊的工作原理

為了增強傳感器的實用性，研究人員設計了一個便攜式維生素C檢測系統(tǒng)。圖3展示了該便攜式維生素C傳感器和集成電路模塊的照片。該便攜式傳感器是由信號轉換和微控制器兩部分組成，然后通過無線藍牙設備傳輸?shù)接嬎銠C。隨后，開發(fā)了一個基于Java的應用程序，用于操作和顯示結果。雖然該監(jiān)測系統(tǒng)存在一些偏差，但總體趨勢與之前的測試結果一致。這種基于二維PANI薄膜傳感器檢測系統(tǒng)在日常生活中對維生素C的監(jiān)測具有一定的潛力。

圖3 （a）便攜式維生素C檢測發(fā)帶；（b）電化學模塊；（c）Nodemcu-32模塊

綜上所述，研究人員設計了一種用于無創(chuàng)追蹤人體體液中維生素C濃度的汗液電化學傳感器。植酸高度對稱的環(huán)狀結構，加強了PANI鏈之間的電子傳輸，且其具有較多羧基結構，使得該薄膜具有更多催化位點，從而提高了傳感器對抗壞血酸的傳感性能。同時，該PANI薄膜傳感器還可用于檢測攝入維生素C后未經處理的汗液和唾液中維生素C的含量變化。不同的測試對象在攝入定量的維生素C后表現(xiàn)出不同的響應電流，這可能是由于個人的新陳代謝、體重、飲食習慣等因素的差異。該傳感器這種藥理學追蹤的特性體現(xiàn)了其在營養(yǎng)指導方面的應用潛力。

審核編輯：劉清