用于检测汗液中尿酸和葡萄糖的双功能可穿戴电化学传感器

监测生物体液（例如血液、汗液、唾液、尿液、泪液和间质液）中与生理代谢相关的分子浓度是一种广泛采用的健康管理以及疾病诊断和治疗策略。例如，血糖水平是诊断糖尿病的重要标准。根据世界卫生组织（WHO）的报告，全球糖尿病患者人数已经从1980年的1.08亿人增加到2014年的4.22亿人，其中，95%以上的糖尿病患者患有2型糖尿病。因此，研究人员已经为各种葡萄糖传感器的开发付出了巨大的努力。另一方面，血液中尿酸（UA）浓度的持续升高会导致高尿酸血症。高尿酸血症会导致痛风、高血压、高甘油三酯血症、肾结石及肾损害、心血管疾病等。此外，高尿酸血症与胰岛素抵抗具有双向因果关系。血液中尿酸浓度的升高通常先于胰岛素抵抗和2型糖尿病的发展进程，因而被认为是糖尿病最好的独立预测指标之一。因此，高尿酸血症的早期识别可能是预防2型糖尿病的一个有前途的策略。

电化学传感平台为代谢化合物提供了高灵敏度、低成本、紧凑且便携的评估工具。近年来，人们对基于电化学传感平台的葡萄糖和尿酸同时检测进行了大量的研究工作。然而，这些研究很少关注可穿戴传感策略。

据麦姆斯咨询报道，近期，上海理工大学的研究人员开发了一种双功能可穿戴电化学传感器，用于同时检测汗液中的尿酸和葡萄糖。相关研究成果以“A Dual-Function Wearable Electrochemical Sensor for Uric Acid and Glucose Sensing in Sweat”为题，发表在Biosensors期刊上。

该电化学传感器是通过在普通橡胶手套上印刷墨水来制备的四电极系统。此外，研究人员所提出的四电极传感器由用于连接电化学工作站的四根蛇形银/氯化银（Ag/AgCl）导线组成。导线的另一端用碳或银/氯化银（Ag/AgCl）墨水印刷，分别用作工作电极、对电极（辅助电极）和参比电极。蛇形设计可以在一定程度上提高传感器的可拉伸性。在此基础上，研究人员采用羧基功能化多壁碳纳米管（MWCNT-COOH）和普鲁士蓝（PB）-葡萄糖氧化酶（GOD）-羧基功能化多壁碳纳米管复合材料分别制备了尿酸传感器（Sensor-UA）和葡萄糖传感器（Sensor-glucose）。在无需刺破手指的情况下，整个传感过程仅需1分钟。

图1 用于葡萄糖和尿酸传感的双功能可穿戴电化学传感器  

接着，研究人员利用循环伏安法（CV）和计时电流法对所制备的传感器的电化学传感性能进行了表征。结果显示，该传感器对磷酸盐缓冲溶液中尿酸和葡萄糖的电化学传感在0 ~ 1.6 mM和0 ~ 3.7 mM范围内呈线性关系，检测限分别为3.58 μM和9.10 μM。

图2 双功能可穿戴电化学传感器在pH = 7.4的磷酸盐缓冲溶液中的电化学传感性能  

随后，研究人员进一步采用计时电流法对该双功能可穿戴电化学传感器的稳定性进行了测试。其中，尿酸传感器的稳定性测试结果如图3B所示，在15次测试中，电流响应几乎保持不变。此外，图3B中的插图显示了15次测试后的电流响应衰减程度。可以发现，电流响应衰减几乎可以忽略不计，表明尿酸传感器具有出色的稳定性。对应地，图3C显示了葡萄糖传感器的稳定性测试结果。同时，图3C中的插图显示了与第一次计时电流响应相比，15次测试的电流响应衰减程度。与尿酸传感器的稳定性测试结果类似，葡萄糖传感器的电流响应衰减几乎可以忽略不计，表明葡萄糖传感器也具有良好的稳定性。

图3 双功能可穿戴电化学传感器的稳定性、选择性和真实样品传感性能  

选择性是传感器的重要评价指标之一。在恒定电位下，该研究利用计时电流法对传感器的选择性进行了评价。将处于各自生理浓度水平的不同干扰物质（例如，50 μM尿酸（用于葡萄糖传感）、300 μM葡萄糖（用于尿酸传感）、5 mM乳酸、0.5 M氯化钠（NaCl）和10 μM抗坏血酸（AA））分别添加到传感器上。如图3D、3E所示，传感器对其检测靶标“尿酸”和“葡萄糖”表现出特定的响应。并且，干扰物质的加入对电流响应的影响可以忽略不计。这表明该双功能可穿戴电化学传感器具有良好的选择性检测性能。

最后，研究人员对该传感器在真实汗液样品中的传感可行性进行了测试。结果显示，该传感器对汗液中尿酸（0 ~ 40 μM）和葡萄糖（0 ~ 1.6 mM）的线性检测范围可以很好地覆盖其在生理条件下的浓度范围。因此，该研究所制备的双功能可穿戴电化学传感器具有制备简单、检测速度快、灵敏度高、选择性好等优势，在尿酸和葡萄糖传感方面具有实际的应用潜力。

综上所述，在这项研究中，研究人员提出了一种双功能可穿戴电化学传感器，用于同时检测汗液中的尿酸和葡萄糖。该传感器具有快速、高灵敏度和选择性传感性能。此外，该研究所提出的传感器经过测试，证明了其在真实汗液样品传感中的可行性，并且其传感范围可以很好地覆盖生理条件下尿酸和葡萄糖的浓度范围。因此，研究人员所提出的双功能可穿戴化学传感器可以为尿酸和血糖相关疾病的管理和治疗提供无创、全面的监测策略。

审核编辑：刘清