开发用于多种代谢物连续动态监测的超灵敏可穿戴传感器件

糖尿病是全球最常见、最严重的慢性疾病之一，2021年共有670万人死于该病[1]。糖尿病患者缺乏胰岛素或对其产生抵抗，两种情况都会引起血糖水平异常。持续的高血糖会对神经和血管造成不可逆的损伤，导致心脑血管、肾脏、眼睛、足部等全身器官的100多种并发症[2]，因此，维持适宜的血糖水平对于糖尿病的控制和健康管理至关重要。此外，糖尿病患者常需要服用降糖药以控制血糖，常用的降糖药通常会增加无氧糖酵解或减少糖异生作用，导致血乳酸水平升高，引发无明显症状的高乳酸血症和乳酸酸中毒[3]。因此，同步实现血糖和血乳酸的实时动态监测对于评估健康状况和控制糖尿病进展至关重要。

传统的体外诊断技术取样过程复杂，检测间隔长，而且只能检测单一分析物，这在家庭健康管理中并不实用。可穿戴设备具有体积小巧、检测快速、易于集成和样本消耗小等优点，有望取代终端检测，提供更全面的人体健康信息。该研究基于三维立体泡沫镍构建了双通道酶电化学生物传感器，赋予了传感器件灵敏度高、选择性优、线性范围宽、工作寿命长的特点。同时，该研究依赖所设计的双通道酶电化学传感电极开发了小型化、全集成的可穿戴设备，该设备能够通过微创的方式实时动态地监测间质液中多种代谢物的浓度变化趋势，辅助疾病管理和健康监测。

研究开发了小型化、全集成的可穿戴设备，旨在通过微创的方式实时动态地监测间质液中多种代谢物的浓度变化趋势，辅助疾病管理和健康监测。如图1所示，所开发的可穿戴设备由单片机模块、恒电位器模块、数据传输模块、数据处理模块和电化学生物传感模块五个模块组成。其中，电化学生物传感模块设计了能够使不同传感接口共享对电极和参比电极的双通道结构，有利于简化外围电路，实现器件的小型化，对于实现多靶标检测意义重大。

图1. 可穿戴系统示意图| (A)可穿戴系统工作示意图：微针获取组织液，使用生物传感器对分析物进行检测，随后，数据通过蓝牙发送到终端；(B)可穿戴设备示意图。它由五个部分组成:单片机模块、恒电位器模块、数据传输模块、数据处理模块和电化学生物传感器模块；(C)基于三维立体骨架的双通道酶电化学传感器。

此外，电化学生物传感模块设计了基于泡沫镍材料的三维立体生物传感器，以提供高比表面积、高界面电催化活性和与样品的大接触面积，从而显著提高生物传感器的灵敏度。如图2所示，双通道传感电极对葡萄糖和乳酸的监测灵敏度分别为 378.3 µA/(mM×cm² ) 和460.5 µA/(mM×cm² ) ，可分别实现0.1-8 mM的葡萄糖灵敏监测和0.4-1.4 mM的乳酸灵敏检测。

图2. 双通道生物传感器灵敏度表征| (A)不同浓度乳酸的电流I-t曲线; (B)乳酸浓度与电流的线性拟合曲线 (N = 5)；(C)不同浓度下葡萄糖的电流I-t曲线； (D)葡萄糖浓度浓度与电流的线性拟合曲线 (N = 5)。

研发的超灵敏双通道传感器件与采样针、小型化检测电路集成，封装后得到尺寸为 (cm³)，重40 g的小型化可穿戴设备。为验证该设备在实际应用中的潜力，开展动物实验对其性能进行了评估和分析。如图3所示，使用作者开发的可穿戴设备测试了健康小鼠间质液中的乳酸和葡萄糖水平，将检测结果与商用电化学分析仪 (ACCU-CHEK测量葡萄糖，lactate Scout 4测量乳酸) 测量的小鼠尾血中的乳酸和葡萄糖水平进行了比较。可穿戴系统间质液检测与商用分析仪尾血检测的乳酸和葡萄糖浓度变化趋势吻合良好，乳酸和葡萄糖的相关性分别为0.994和0.971，证明了可穿戴系统在体内同时监测葡萄糖和乳酸水平的可行性。

图3. 可穿戴器件在体检测性能评估| (A)双通道生物可穿戴器件主要部件展示；(B)生物传感器动态测量乳酸和葡萄糖溶液的I-t曲线。乳酸和葡萄糖样品的浓度梯度范围为0-300 µM，间隔为50 µM；(C)可穿戴设备的照片附着在健康小鼠体表的实物图；(D)研究所开发的系统与两种商用设备的比较结果。黑线和绿点分别代表研发的系统和Accu-Chek测量的葡萄糖水平(N = 3)，红线和蓝点代表研发的系统和Scout 4测量的乳酸水平 (N = 3)。统计分析显示，可穿戴系统的间质液结果与商用设备的血液检测结果无显著差异。

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，作者成功开发了一个基于三维立体电极的双通道小型化可穿戴设备用于多种间质液代谢物的动态监测。该设备将传感器的检测能力由单一分析物扩展到多靶标监测，并引入三维立体工作电极提升传感器灵敏度，丰富了可穿戴设备的功能和潜力，为可穿戴医疗应用提供了机会，也为数字医疗的未来发展提供了推动力。然而，所发开的器件仍存在一些局限性，需要进一步改善和优化。一方面，用于代谢物传感的酶电化学生物传感器不可避免地面临酶逃逸或失活的问题，导致设备对代谢物检测性能随着时间的推移逐渐下降，使用寿命有限。另一方面，基于扩散的间质液检测方法使得器件的检测间隔受采样效率的影响较大，导致检测频率受限，容易受到环境干扰。因此，在未来，可以进行进一步的研究来解决这些局限性，包括探索替代传感机制，开发增强酶稳定性的策略，以及优化间质液采样技术以实现更加长期、稳定的代谢物动态监测。