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(xué)傳感器

營(yíng)養(yǎng)狀況監(jiān)測(cè)在維系人體健康和預(yù)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(yíng)養(yǎng)素，其可以提高人體免疫力，促進(jìn)手術(shù)后傷口的恢復(fù)。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(dāng)攝入可以促進(jìn)人體健康。體內(nèi)缺乏維生素C可能會(huì)導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致腎結(jié)石、惡心、腹瀉等疾病。因此，開發(fā)用于快速監(jiān)測(cè)維生素C的高性能、可靠的傳感器對(duì)于公共衛(wèi)生保健具有重要意義。

近期，吉林大學(xué)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(qiáng)酸性和高度對(duì)稱的環(huán)狀結(jié)構(gòu)植酸功能化聚苯胺（PANI）薄膜，構(gòu)建了非酶基電化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)維生素C的高靈敏的監(jiān)測(cè)。并設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的、便攜式維生素C檢測(cè)系統(tǒng)，為可穿戴汗液檢測(cè)設(shè)備在營(yíng)養(yǎng)指導(dǎo)方面的應(yīng)用提供了一個(gè)新的思路。

在這項(xiàng)研究中，研究人員將苯胺單體加入到含有引發(fā)劑和有機(jī)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(shí)后，在空氣-水界面出現(xiàn)一層均勻且連續(xù)生長(zhǎng)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(jī)酸結(jié)構(gòu)為電子轉(zhuǎn)移到活性分子提供了有利的位點(diǎn)，可以加速電子在電極表面和生物分子之間的轉(zhuǎn)移。這種PANI薄膜可以通過簡(jiǎn)單的提拉法轉(zhuǎn)移到絲網(wǎng)印刷電極上以供測(cè)試（圖1）。



圖1 聚合物薄膜的合成示意圖

為了評(píng)估該傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)用性，對(duì)受試者的汗液以及唾液中的維生素C含量進(jìn)行了檢測(cè)。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(cè)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(jì)△I的信號(hào)變化。在90 min的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，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(gè)人的新陳代謝、體重、飲食習(xí)慣等因素的差異。

唾液是一種容易獲得的體液，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，在服用維生素C后，對(duì)唾液進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采集的唾液樣本沒有經(jīng)過任何處理，直接用于測(cè)試。結(jié)果顯示，響應(yīng)電流值在60 min之后逐漸降低。唾液中最大響應(yīng)電流的時(shí)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(dǎo)致（圖2）。上述結(jié)果表明，該傳感器在個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)指導(dǎo)方面具有一定的應(yīng)用潛力。



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

為了增強(qiáng)傳感器的實(shí)用性，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)便攜式維生素C檢測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換和微控制器兩部分組成，然后通過無線藍(lán)牙設(shè)備傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。隨后，開發(fā)了一個(gè)基于Java的應(yīng)用程序，用于操作和顯示結(jié)果。雖然該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在一些偏差，但總體趨勢(shì)與之前的測(cè)試結(jié)果一致。這種基于二維PANI薄膜傳感器檢測(cè)系統(tǒng)在日常生活中對(duì)維生素C的監(jiān)測(cè)具有一定的潛力。

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

綜上所述，研究人員設(shè)計(jì)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(xué)傳感器。植酸高度對(duì)稱的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了PANI鏈之間的電子傳輸，且其具有較多羧基結(jié)構(gòu)，使得該薄膜具有更多催化位點(diǎn)，從而提高了傳感器對(duì)抗壞血酸的傳感性能。同時(shí)，該P(yáng)ANI薄膜傳感器還可用于檢測(cè)攝入維生素C后未經(jīng)處理的汗液和唾液中維生素C的含量變化。不同的測(cè)試對(duì)象在攝入定量的維生素C后表現(xiàn)出不同的響應(yīng)電流，這可能是由于個(gè)人的新陳代謝、體重、飲食習(xí)慣等因素的差異。該傳感器這種藥理學(xué)追蹤的特性體現(xiàn)了其在營(yíng)養(yǎng)指導(dǎo)方面的應(yīng)用潛力。

審核編輯：劉清