具有3D折纸结构的双信号读出纸基可穿戴生物传感器

汗液中含有许多化学物质，包括水、代谢物（葡萄糖、尿酸、乳酸、皮质醇和乙醇）、电解质和大分子等。这些化学物质与多种疾病密切相关。总体而言，葡萄糖、乳酸和尿酸与常见的生理障碍有关，而氢离子（H⁺）、镁离子（Mg²⁺）和皮质醇浓度是评估精神压力的生化指标。

随着柔性材料和电子技术的发展，可穿戴传感器得到了进一步的发展，从而极大地促进了汗液检测。然而，可穿戴汗液传感器目前仍有一些缺点。首先，基于比色传感的可穿戴汗液传感器，其最终颜色的均一性对检测结果有很大的影响，且比色信号容易受到光、距离和角度的影响。其次，不同分析目标的最佳响应时间不同，因而不能同时捕获最佳比色信号。最后，不同的汗液分析物的检测方式不同，因此需要不同的检测方法。

据麦姆斯咨询报道，近期，上海交通大学的研究人员设计并制备了一种易于使用的低成本、纸基贴片可穿戴微流控汗液传感器。该微流控汗液传感器主要由两个部分组成：微流控通道和传感区域。其结构如图1a、1b所示，自下而上形成了一个包括收集层（L1）、垂直通道（L2）、电极层、水平通道（L3）、比色传感层（L4）和汗液蒸发层（L5）的3D通道。该微流控汗液传感器可同时对人体汗液中的葡萄糖、乳酸、尿酸、Mg²⁺、皮质醇等多种物质及其相应的pH值进行无创、贴身检测。相关研究成果以“Dual-signal readout paper-based wearable biosensor with a 3D origami structure for multiplexed analyte detection in sweat”为题，发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

图1 纸基可穿戴微流控无创汗液传感器结构示意图

该微流控汗液传感器检测原理如图2所示。其中，汗液中葡萄糖、乳酸和尿酸的检测（图2a、2b）依赖于相应的氧化酶/辣根过氧化物酶（HRP）级联反应。具体而言，在HRP的催化下，汗液中的目标检测物质发生氧化还原反应从而产生过氧化氢（H₂O₂），随后H₂O₂氧化3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）生成蓝色的TMBox。而pH的检测（图2c）使用pH指示剂（石蕊和溴酚蓝），当pH值在3到8之间变化时，指示剂颜色将从黄色变为紫色。对于Mg²⁺的检测（图1d），该研究使用铬黑T指示剂与Mg²⁺相互作用，使其颜色从蓝色变为紫色。最后，皮质醇电化学传感器（图1e）依赖于皮质醇与聚吡咯（PPy）的选择性结合，从而阻止来自嵌入式普鲁士蓝（PB）氧化还原探针的电子转移。通过汗液中的皮质醇浓度来确定皮质醇和PPy的结合，从而对皮质醇进行定量分析。

图2 汗液中六种生物标志物的检测原理

为了优化该传感器的检测性能，研究人员通过使用人工汗液样本，研究并优化了每个检测目标的实验条件（RGB值的选择、反应时间、试剂浓度等）。通过对HRP、氧化酶、TMB浓度和指标的优化，得到了功能化的改性滤纸。在最佳条件下，比色信号与葡萄糖、乳酸、尿酸、pH和Mg²⁺浓度的相关关系如图3所示，其R²分别为0.997、0.991、0.995、0.994、0.992。

图3 比色信号与汗液中葡萄糖（a）、乳酸（b）、尿酸（c）、pH值（d）、镁离子（e）和皮质醇（f）浓度的相关性

随后，研究人员还研究了该微流控汗液传感器对6种生物标志物的检测是否存在串扰问题。研究结果显示，该传感器对各种生物标志物的选择性较好，无串扰出现。此外，由于该微流控汗液传感器芯片是一次性的，在相同的实验条件下，研究人员通过使用五个微流控汗液传感器芯片检测相同的样品来评估其可重复性。结果表明，基于比色传感原理的五种生物标志物产生的颜色信号没有显著差异，且基于电化学传感原理的皮质醇传感器的结果也是一致的。

最后，该研究对所提出的微流控汗液传感器进行了人体贴身检测测试，结果验证了其一致性和可靠性。因此，该可穿戴微流控汗液传感器在汗液中多种生物标志物的无创检测方面具有巨大的应用潜力。

图4 使用微流控汗液传感器检测五名成年志愿者的汗液生物标志物水平

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-023-00514-2

审核编辑 ：李倩