用于液體分析物中葡萄糖濃度實時監(jiān)測的3D打印微流控芯片

將宏系統(tǒng)與微系統(tǒng)連接起來進(jìn)行在線檢測在不同的生物技術(shù)過程中非常重要，因為其可以在小尺度上實現(xiàn)過程參數(shù)的精準(zhǔn)監(jiān)測，并最終改進(jìn)過程控制和優(yōu)化方案。此外，它還允許對樣本進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，而無需人工采樣和分析，從而提高生產(chǎn)效率和成本效益。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自塞爾維亞諾維薩德大學(xué)（University of Novi Sad）的研究人員提出了一種用于液體分析物中葡萄糖傳感的3D打印微流控（MF）芯片。該微流控芯片由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制備而成，并且集成了利用立體光刻（SLA）工藝制造的蛇紋微混合器以及用于商用DropSens電極的USB式集成的插槽。該微流控芯片顯示出與生物反應(yīng)器等宏系統(tǒng)連接的巨大潛力，可以直接在線監(jiān)測液體樣品中的質(zhì)量參數(shù)。相關(guān)研究成果以“3D-Printed Microfluidic Chip for Real-Time Glucose Monitoring in Liquid Analytes”為題發(fā)表在Micromachines期刊上。

圖1 利用3D打印微流控（MF）芯片對液體分析物中葡萄糖進(jìn)行檢測的概念示意圖

圖2 （a）微流控芯片的多層結(jié)構(gòu)；（b）利用立體光刻（SLA）工藝打印的微流控通道的三維剖面；（c）集成DropSens傳感器的微流控芯片

在集成DropSens傳感器的微流控芯片中，隨著微流體的流動，葡萄糖分子在化學(xué)反應(yīng)中被葡萄糖氧化酶（GOx）氧化。在一定時間內(nèi)與目標(biāo)介質(zhì)完全混合后，反應(yīng)的副產(chǎn)物過氧化氫（H?O?）被氧化，在一定電壓下產(chǎn)生電化學(xué)信號。該研究中使用的絲網(wǎng)印刷工藝制造的三電極系統(tǒng)集成在微流控芯片內(nèi)，采用金（Au）工作/對電極和銀/氯化銀（Ag/AgCl）參比電極，并且在0.9 V電壓左右具有H?O?氧化峰。利用循環(huán)伏安法（CV）進(jìn)行電化學(xué)檢測，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，H?O?的生成量隨著葡萄糖濃度的增加而增加，從而導(dǎo)致輸出電流呈指數(shù)增長。

圖3 微流控芯片中葡萄糖的電化學(xué)檢測結(jié)果

圖4 （a）細(xì)胞培養(yǎng)基中不同濃度葡萄糖的計時電流檢測結(jié)果，插圖為用醋酸和酶稀釋的培養(yǎng)基中葡萄糖檢測的校準(zhǔn)曲線；（b）在微流控芯片進(jìn)樣處的細(xì)胞培養(yǎng)基中葡萄糖濃度檢測的校準(zhǔn)曲線

總體而言，本項研究所提出的3D打印微流控芯片在不同的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中有幾個潛在的優(yōu)點。首先，血液中的葡萄糖濃度是監(jiān)測血糖水平最廣泛使用的指標(biāo)，正常的血糖水平在0.7 mg/mL到1 mg/mL之間，高于這個水平可能表明患有糖尿病或其他潛在的疾病。唾液中也含有葡萄糖，但與血液相比，其濃度要低得多，通常在5 × 10?? mg/mL ~ 10?3 mg/mL之間。唾液中的葡萄糖濃度不僅用于監(jiān)測血糖水平的變化，也用于一些診斷測試。此外，尿中葡萄糖的濃度隨血糖水平的變化而變化，根據(jù)血糖水平的不同，其范圍為0 ~ 0.20 mg/mL或更高。該研究中所提出的微流控芯片的檢測范圍可以覆蓋以上濃度范圍，因此，它可以用于這些液體樣品中葡萄糖濃度的檢測。

此外，由于該微流控芯片的流體系統(tǒng)的設(shè)計，葡萄糖氧化酶不需要與固體介質(zhì)一起固定在基于金電極的傳感器表面上，這一點是至關(guān)重要的，因為其可以免除一段時間操作后出現(xiàn)的沖洗問題。其次，該研究所提出的微流控芯片可以自動獲取樣本，而無需人工采樣，并且可以對樣本進(jìn)行實時檢測。此外，作為一種在線傳感器，該研究所提出的微流控芯片可以監(jiān)測細(xì)胞培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)，同時防止采樣過程中培養(yǎng)基的潛在污染。最后，該研究所提出的微流控芯片可以根據(jù)pH值調(diào)整反應(yīng)過程，因此可以應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)過程中葡萄糖和pH值隨時間變化的在線檢測中。

綜上所述，該研究提出了一種新型的3D打印微流控芯片，該芯片集成了蛇紋微混合器和電化學(xué)傳感器，用于檢測液體分析物中葡萄糖濃度。該芯片具有樣品和試劑用量少、靈敏度高、線性響應(yīng)好等特點。因此，該3D打印微流控芯片顯示了在生物反應(yīng)器等宏系統(tǒng)中直接在線監(jiān)測葡萄糖濃度和pH值隨時間的變化的巨大潛力。所提出的平臺在利用微系統(tǒng)監(jiān)測宏系統(tǒng)（如生物反應(yīng)器）相關(guān)參數(shù)的過程中具有很高的應(yīng)用潛力。




審核編輯：劉清