用于檢測汗液中尿酸和葡萄糖的雙功能可穿戴電化學傳感器

監(jiān)測生物體液（例如血液、汗液、唾液、尿液、淚液和間質液）中與生理代謝相關的分子濃度是一種廣泛采用的健康管理以及疾病診斷和治療策略。例如，血糖水平是診斷糖尿病的重要標準。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）的報告，全球糖尿病患者人數(shù)已經(jīng)從1980年的1.08億人增加到2014年的4.22億人，其中，95%以上的糖尿病患者患有2型糖尿病。因此，研究人員已經(jīng)為各種葡萄糖傳感器的開發(fā)付出了巨大的努力。另一方面，血液中尿酸（UA）濃度的持續(xù)升高會導致高尿酸血癥。高尿酸血癥會導致痛風、高血壓、高甘油三酯血癥、腎結石及腎損害、心血管疾病等。此外，高尿酸血癥與胰島素抵抗具有雙向因果關系。血液中尿酸濃度的升高通常先于胰島素抵抗和2型糖尿病的發(fā)展進程，因而被認為是糖尿病最好的獨立預測指標之一。因此，高尿酸血癥的早期識別可能是預防2型糖尿病的一個有前途的策略。

電化學傳感平臺為代謝化合物提供了高靈敏度、低成本、緊湊且便攜的評估工具。近年來，人們對基于電化學傳感平臺的葡萄糖和尿酸同時檢測進行了大量的研究工作。然而，這些研究很少關注可穿戴傳感策略。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，上海理工大學的研究人員開發(fā)了一種雙功能可穿戴電化學傳感器，用于同時檢測汗液中的尿酸和葡萄糖。相關研究成果以“A Dual-Function Wearable Electrochemical Sensor for Uric Acid and Glucose Sensing in Sweat”為題，發(fā)表在Biosensors期刊上。

該電化學傳感器是通過在普通橡膠手套上印刷墨水來制備的四電極系統(tǒng)。此外，研究人員所提出的四電極傳感器由用于連接電化學工作站的四根蛇形銀/氯化銀（Ag/AgCl）導線組成。導線的另一端用碳或銀/氯化銀（Ag/AgCl）墨水印刷，分別用作工作電極、對電極（輔助電極）和參比電極。蛇形設計可以在一定程度上提高傳感器的可拉伸性。在此基礎上，研究人員采用羧基功能化多壁碳納米管（MWCNT-COOH）和普魯士藍（PB）-葡萄糖氧化酶（GOD）-羧基功能化多壁碳納米管復合材料分別制備了尿酸傳感器（Sensor-UA）和葡萄糖傳感器（Sensor-glucose）。在無需刺破手指的情況下，整個傳感過程僅需1分鐘。

圖1 用于葡萄糖和尿酸傳感的雙功能可穿戴電化學傳感器 ?

接著，研究人員利用循環(huán)伏安法（CV）和計時電流法對所制備的傳感器的電化學傳感性能進行了表征。結果顯示，該傳感器對磷酸鹽緩沖溶液中尿酸和葡萄糖的電化學傳感在0 ~ 1.6 mM和0 ~ 3.7 mM范圍內(nèi)呈線性關系，檢測限分別為3.58 μM和9.10 μM。

圖2 雙功能可穿戴電化學傳感器在pH = 7.4的磷酸鹽緩沖溶液中的電化學傳感性能 ?

隨后，研究人員進一步采用計時電流法對該雙功能可穿戴電化學傳感器的穩(wěn)定性進行了測試。其中，尿酸傳感器的穩(wěn)定性測試結果如圖3B所示，在15次測試中，電流響應幾乎保持不變。此外，圖3B中的插圖顯示了15次測試后的電流響應衰減程度。可以發(fā)現(xiàn)，電流響應衰減幾乎可以忽略不計，表明尿酸傳感器具有出色的穩(wěn)定性。對應地，圖3C顯示了葡萄糖傳感器的穩(wěn)定性測試結果。同時，圖3C中的插圖顯示了與第一次計時電流響應相比，15次測試的電流響應衰減程度。與尿酸傳感器的穩(wěn)定性測試結果類似，葡萄糖傳感器的電流響應衰減幾乎可以忽略不計，表明葡萄糖傳感器也具有良好的穩(wěn)定性。

圖3 雙功能可穿戴電化學傳感器的穩(wěn)定性、選擇性和真實樣品傳感性能 ?

選擇性是傳感器的重要評價指標之一。在恒定電位下，該研究利用計時電流法對傳感器的選擇性進行了評價。將處于各自生理濃度水平的不同干擾物質（例如，50 μM尿酸（用于葡萄糖傳感）、300 μM葡萄糖（用于尿酸傳感）、5 mM乳酸、0.5 M氯化鈉（NaCl）和10 μM抗壞血酸（AA））分別添加到傳感器上。如圖3D、3E所示，傳感器對其檢測靶標“尿酸”和“葡萄糖”表現(xiàn)出特定的響應。并且，干擾物質的加入對電流響應的影響可以忽略不計。這表明該雙功能可穿戴電化學傳感器具有良好的選擇性檢測性能。

最后，研究人員對該傳感器在真實汗液樣品中的傳感可行性進行了測試。結果顯示，該傳感器對汗液中尿酸（0 ~ 40 μM）和葡萄糖（0 ~ 1.6 mM）的線性檢測范圍可以很好地覆蓋其在生理條件下的濃度范圍。因此，該研究所制備的雙功能可穿戴電化學傳感器具有制備簡單、檢測速度快、靈敏度高、選擇性好等優(yōu)勢，在尿酸和葡萄糖傳感方面具有實際的應用潛力。

綜上所述，在這項研究中，研究人員提出了一種雙功能可穿戴電化學傳感器，用于同時檢測汗液中的尿酸和葡萄糖。該傳感器具有快速、高靈敏度和選擇性傳感性能。此外，該研究所提出的傳感器經(jīng)過測試，證明了其在真實汗液樣品傳感中的可行性，并且其傳感范圍可以很好地覆蓋生理條件下尿酸和葡萄糖的濃度范圍。因此，研究人員所提出的雙功能可穿戴化學傳感器可以為尿酸和血糖相關疾病的管理和治療提供無創(chuàng)、全面的監(jiān)測策略。

審核編輯：劉清