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)。總體而言，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(píng)估精神壓力的生化指標(biāo)。

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(jìn)一步的發(fā)展，從而極大地促進(jìn)了汗液檢測(cè)。然而，可穿戴汗液傳感器目前仍有一些缺點(diǎn)。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(duì)檢測(cè)結(jié)果有很大的影響，且比色信號(hào)容易受到光、距離和角度的影響。其次，不同分析目標(biāo)的最佳響應(yīng)時(shí)間不同，因而不能同時(shí)捕獲最佳比色信號(hào)。最后，不同的汗液分析物的檢測(cè)方式不同，因此需要不同的檢測(cè)方法。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，上海交通大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(shí)對(duì)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(jìn)行無(wú)創(chuàng)、貼身檢測(cè)。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(cè)原理如圖2所示。其中，汗液中葡萄糖、乳酸和尿酸的檢測(cè)（圖2a、2b）依賴于相應(yīng)的氧化酶/辣根過(guò)氧化物酶（HRP）級(jí)聯(lián)反應(yīng)。具體而言，在HRP的催化下，汗液中的目標(biāo)檢測(cè)物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)從而產(chǎn)生過(guò)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(lán)色的TMBox。而pH的檢測(cè)（圖2c）使用pH指示劑（石蕊和溴酚藍(lán)），當(dāng)pH值在3到8之間變化時(shí)，指示劑顏色將從黃色變?yōu)樽仙?duì)于Mg2?的檢測(cè)（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(lán)色變?yōu)樽仙Ｗ詈螅べ|(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(lái)自嵌入式普魯士藍(lán)（PB）氧化還原探針的電子轉(zhuǎn)移。通過(guò)汗液中的皮質(zhì)醇濃度來(lái)確定皮質(zhì)醇和PPy的結(jié)合，從而對(duì)皮質(zhì)醇進(jìn)行定量分析。

圖2 汗液中六種生物標(biāo)志物的檢測(cè)原理

為了優(yōu)化該傳感器的檢測(cè)性能，研究人員通過(guò)使用人工汗液樣本，研究并優(yōu)化了每個(gè)檢測(cè)目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)條件（RGB值的選擇、反應(yīng)時(shí)間、試劑濃度等）。通過(guò)對(duì)HRP、氧化酶、TMB濃度和指標(biāo)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(hào)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(hào)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(duì)6種生物標(biāo)志物的檢測(cè)是否存在串?dāng)_問(wèn)題。研究結(jié)果顯示，該傳感器對(duì)各種生物標(biāo)志物的選擇性較好，無(wú)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(shí)驗(yàn)條件下，研究人員通過(guò)使用五個(gè)微流控汗液傳感器芯片檢測(cè)相同的樣品來(lái)評(píng)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(biāo)志物產(chǎn)生的顏色信號(hào)沒(méi)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(duì)所提出的微流控汗液傳感器進(jìn)行了人體貼身檢測(cè)測(cè)試，結(jié)果驗(yàn)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(biāo)志物的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)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(cè)五名成年志愿者的汗液生物標(biāo)志物水平

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

審核編輯 ：李倩