寧波大學(xué)：通過電熱薄膜刺激汗液分泌的可穿戴生物傳感器，用于靜息狀態(tài)下汗液葡萄糖持續(xù)分析

糖尿病是一種常見的慢性代謝性疾病，主要特征是血糖過高。它已經(jīng)成為全球主要的死亡原因之一，全球約有數(shù)億人受到影響，每年約有160萬人因此死亡，因此，定期且準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)血糖對(duì)糖尿病的診斷和管理至關(guān)重要。如今，便攜式血糖儀（BGM）已廣泛應(yīng)用于居家自我檢測(cè)，通過指尖采血來精準(zhǔn)評(píng)估血糖水平。然而，由于這些設(shè)備的結(jié)構(gòu)和傳感原理，用戶不得不頻繁忍受侵入性痛苦及潛在的感染風(fēng)險(xiǎn)，尤其是對(duì)于那些傷口不易愈合的糖尿病患者。此外，傳統(tǒng)血糖儀無法進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。因此，作為一種有巨大潛力的替代方案，可穿戴傳感器逐漸受到關(guān)注，并符合現(xiàn)代個(gè)性化醫(yī)療的需求。可穿戴傳感器能夠通過衣物、眼鏡或透皮貼片等形式與皮膚結(jié)合，提供更為便捷的使用體驗(yàn)。隨著生物傳感模塊的集成，可穿戴式傳感器不僅能夠進(jìn)行生理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，還能非侵入性地檢測(cè)代謝物、離子和生物標(biāo)志物。然而，目前這一技術(shù)仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如，如何滿足不同年齡段和不同活動(dòng)狀態(tài)人群的需求。因此，進(jìn)一步研究和優(yōu)化可穿戴生物傳感器，將有助于實(shí)現(xiàn)更加個(gè)性化的健康診斷和日常護(hù)理。

近期，寧波大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院余鎮(zhèn)重助理研究員報(bào)道了一種新的基于電熱薄膜刺激汗液分泌的可穿戴生物傳感器，可以實(shí)現(xiàn)靜息時(shí)人體汗液中葡萄糖的定量分析，相關(guān)成果以“WearablePatch Biosensor through Electrothermal Film-Stimulated Sweat Secretion forContinuous Sweat Glucose Analysis at Rest”為題發(fā)表在國(guó)際化學(xué)權(quán)威雜志Analytical Chemistry上（DOI: 10.1021/acs.analchem.4c04271）。寧波大學(xué)碩士研究生劉玉婷為該論文的第一作者。

研究的主要內(nèi)容

本研究開發(fā)了一種可穿戴貼片生物傳感器，通過電熱薄膜刺激汗液分泌，用于靜息狀態(tài)下的汗液中葡萄糖分析。如圖1所示，該系統(tǒng)包含五個(gè)主要模塊：電熱薄膜、溫度傳感器、微流控通道、電化學(xué)葡萄糖生物傳感器和粘合層。在檢測(cè)過程中，負(fù)載銀納米線（AgNWs）的電熱薄膜具有較高的電熱效應(yīng)，通過加熱增加皮膚溫度，刺激汗液分泌。隨后，汗液在微流控系統(tǒng)中被收集和富集，這可以避免汗液的快速蒸發(fā)，并減少汗液的傳輸時(shí)間。最后，使用普魯士藍(lán)（PB）和葡萄糖氧化酶（GOx）功能化的電化學(xué)傳感器測(cè)量汗液中的葡萄糖含量。通過掃描電鏡和透射電鏡對(duì)銀納米線進(jìn)行了一系列表征，并通過熱紅外成像儀測(cè)定了電熱薄膜的焦耳熱性能，用仿真模擬了汗液在微流控通道里面的流通情況。結(jié)果證明銀納米線具有良好的線性結(jié)構(gòu)，并且制成的電熱薄膜具有優(yōu)異的電熱性能。此外，模擬實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了汗液在微流體通道內(nèi)的快速富集（圖2）。并且對(duì)電化學(xué)葡萄糖傳感器進(jìn)行了表征和一系列電化學(xué)測(cè)試，證明了該電化學(xué)傳感器對(duì)葡萄糖具有良好的靈敏性、選擇性和線性關(guān)系（圖3）。

在實(shí)際人體測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，通過熱刺激能夠有效促進(jìn)人體汗液分泌，其速率是無熱刺激時(shí)的3倍。并且在設(shè)定溫度下，該熱刺激對(duì)人體皮膚沒有傷害（圖3）。通過對(duì)受試人員跟蹤測(cè)試，發(fā)現(xiàn)此策略測(cè)得的汗液葡萄糖濃度與血液中葡萄糖濃度在一天內(nèi)的波動(dòng)趨勢(shì)一致，表明其用于人體血糖濃度檢測(cè)的可行性（圖5）。該方法運(yùn)用電熱刺激汗液分泌的方式為非侵入式檢測(cè)汗液中的葡萄糖提供了新的思路。

圖1. (A) 可穿戴貼片的結(jié)構(gòu)示意圖 (B) 熱模擬葡萄糖分泌的示意圖 (C) 電化學(xué)葡萄糖生物傳感器的傳感原理。（來源：Analytical Chemistry）

圖2. (A) AgNWs的SEM圖和(B)TEM圖 (C-D) AgNWs的EDS（插圖：AgNWs溶液的照片） (E) 電熱薄膜的照片 (F) 不同驅(qū)動(dòng)電壓下，AgNWs載體薄膜的電熱性能 (G) 不同驅(qū)動(dòng)電壓下，AgNWs載電熱薄膜的飽和溫度紅外（IR）圖像。(H) 電熱薄膜在1.5 V下的循環(huán)驅(qū)動(dòng)情況(I) 微流控通道的頂視圖照片 (J) 微流控通道的橫截面視圖照片(K) 微流控通道中汗液流動(dòng)的仿真圖。（來源：AnalyticalChemistry）

圖3. (A) SPE的照片（B-C）CSPE和C/PB SPE的SEM圖像（D-E）C SPE和C/PB SPE的對(duì)應(yīng)截面SEM圖像 (F) C SPE在不同掃描速率下的循環(huán)伏安響應(yīng) (G) C SPE、C/PB SPE和C/PB/GOxSPE的循環(huán)伏安響應(yīng) (H) 葡萄糖傳感器對(duì)不同葡萄糖濃度的實(shí)時(shí)安培響應(yīng)（插圖：實(shí)時(shí)安培響應(yīng)的對(duì)應(yīng)放大視圖） (I) 電流與葡萄糖濃度的校準(zhǔn)曲線 (J) 葡萄糖生物傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性(K) 葡萄糖生物傳感器的特異性。（來源：Analytical Chemistry）

圖4. （A）手掌加熱前后的照片和（B）紅外圖像。（C）手掌和手背熱致出汗時(shí)微流控通道中的汗液分泌與。（D）手掌和（E）手背在有無熱刺激下的汗液分泌速率。（來源：Analytical Chemistry）

圖5. （A）可穿戴貼片生物傳感器測(cè)試系統(tǒng)。（B）電熱加熱和不電熱加熱刺激時(shí)手掌體表汗液分析的電流信號(hào)及其（C）測(cè)試照片。（D）手掌和手背中汗液葡萄糖的電流檢測(cè)信號(hào)和（E）含量。（F）餐后不同時(shí)間可穿戴貼片生物傳感器測(cè)得的汗液葡萄糖計(jì)時(shí)安培響應(yīng)及(G)血糖儀測(cè)得的相應(yīng)血糖。（H）餐后2小時(shí)內(nèi)和（I）全天正常用餐時(shí)汗液葡萄糖濃度和血糖濃度的變化。（來源：AnalyticalChemistry）

在這項(xiàng)工作中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種熱刺激可穿戴汗液分析平臺(tái)，用于靜息狀態(tài)下非侵入性和持續(xù)性的汗液葡萄糖分析。該平臺(tái)利用負(fù)載了AgNWs的柔性熱膜作為熱源，提供了一種簡(jiǎn)單、有效且安全的熱刺激汗液收集方法，適用于靜息狀態(tài)下人體汗液中葡萄糖檢測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)持續(xù)的佩戴監(jiān)測(cè)，這一可穿戴分析平臺(tái)結(jié)合熱膜用于局部汗液刺激，微流控通道用于汗液收集，PB/GOx功能化的生物傳感器用于汗液葡萄糖檢測(cè)，以及智能手機(jī)用于結(jié)果顯示。檢測(cè)結(jié)果表明，汗液與血清葡萄糖水平之間存在直接關(guān)系，并且全天具有明顯的同步波動(dòng)趨勢(shì)。與傳統(tǒng)的離子滲透、運(yùn)動(dòng)或熱水浴方法相比，該策略避免了長(zhǎng)期的電刺激，并且無需場(chǎng)地或設(shè)備限制，可以隨時(shí)操作。該設(shè)備為糖尿病管理提供了便捷且持續(xù)的家庭葡萄糖監(jiān)測(cè)，特別適用于老年人、患者和行動(dòng)不便的人群。

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來源：分析人

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