​【Biosens.Bioelectron】一种用于糖尿病及其并发症多指标测定的新型光电化学微流控芯片|哈尔滨工业大学&深圳大学

一种用于糖尿病及其并发症多指标测定的新型光电化学微流控芯片
Biosensors and Bioelectronics ( IF 12.545 ) 

Pub Date : 2022-09-14

DOI: 10.1016/j.bios.2022.114719

快速准确地监测葡萄糖、乳酸、丙酮酸和3-羟基丁酸对于预防、诊断和治疗糖尿病、乳酸性酸中毒和糖尿病酮症酸中毒至关重要。本文通过集成微流控器件和光电化学(PEC)传感器，提出了一种用于糖尿病、乳酸酸中毒和糖尿病酮症酸中毒多指标检测的新型传感芯片。

为了阻挡实际样品中还原物质的干扰，PEC传感器分为生物阴极和光电阳极，分别安装在装置的上层和底层。用ZnIn2S4纳米花修饰光阳极作为光敏材料，催化分析物的酶固定在生物阴极上。PEC芯片显示出宽检测范围，四种分析物的低检测限分别为0.035μM、0.34μM、3.3μM和0.035μM（S/N=3）。

该芯片还在监测人血清中的四种生物标志物方面表现出良好的抗干扰能力和可靠性。此外，还部署了一个家用电流表来记录光电流信号，这有助于降低成本。通过替换生物阴极上的酶，传感芯片可以在监测广泛的物种方面发挥作用。

根据世界卫生组织的数据，2019年有4.4亿人患有糖尿病，未来20年这一数字可能会翻一番。目前，日常监测血液中的葡萄糖含量常用于指示糖尿病的发展和指导用药。然而，严重的糖尿病通常伴有一系列危及生命的并发症，如乳酸酸中毒和糖尿病酮症酸中毒。这些并发症可能导致消化系统、循环系统、呼吸系统和神经系统受损、昏迷、休克，严重时甚至危及生命。

不幸的是，很少有患者将这些并发症的生物标志物纳入日常监测。乳酸、丙酮酸和3-羟基丁酸是乳酸酸中毒和酮症酸中毒的典型指标，因此，同时监测葡萄糖和三种生物标志物对于有效控制糖尿病和预防这些并发症至关重要。目前临床上测定这些生物指标的技术主要有生化分析仪、血酮检测仪、乳酸分析仪等。这些方法虽然可以实现准确灵敏的检测，但难以同时检测多个指标。此外，高成本和复杂的操作也限制了它们在实验室外和日常测量中的广泛应用。因此，开发一种廉价、易操作、可靠的四项指标同步监测技术具有重要意义。

为了满足多功能检测的需要，在分析系统中引入了微流控技术。微流控传感芯片是一种将各种功能模块集成在一个平台上的微量分析设备，具有自动化程度高、样品消耗低、片上实验室的便携性和可访问性等特点。如今，光电化学（PEC）传感器由于其独立的激发源和检测信号导致的低背景信号，已代替电化学广泛应用于各个领域。传统PEC传感器由于生物样品中常含有多巴胺(DA)和谷胱甘肽(GSH)会与光阳极上的光敏材料发生反应，导致光电流响应增加，因此面临抗干扰能力差的缺点。

为了解决上述问题，开发了一种集成生物阴极和光电阳极的通用PEC传感器。在这种传感器中，只有酶促生物阴极在样品中孵育以催化目标的反应，而光阳极不与样品接触。因此，避免了实际样品中电子供体的干扰。据我们所知，将PEC传感器与微流控装置结合的工作报道很少，而多指标检测的工作则更少。

方案 1：(A) 光阳极和生物阴极的制备过程和 (B) 构建的微流控芯片的示意图。

在这里，构建了一个微流控PEC平台，用于葡萄糖、乳酸、丙酮酸和3-羟基丁酸的多指标测定（方案1）。该平台的光电阳极由四片ZnIn2S4改性氟掺杂氧化锡（FTO）镀膜玻璃组成，在一定的光照强度下可以产生稳定的电流。生物阴极由四片纳米多孔金（NPG）修饰的FTO电极、辣根过氧化物酶和葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、丙酮酸氧化酶或D-3-羟基丁酸脱氢酶等特定酶组成。

生物阴极和光阳极分别放置在微流体装置的上层和底层。该芯片对四种分析物的同时测定表现出优异的检测限和抗干扰能力。此外，整个检测都是以电流表作为信号输出端来完成的，大大降低了平台的成本。PEC芯片在测量人血清中的四种分析物方面表现出良好的可靠性。

检测原理：首先，通过双电极系统研究了光阳极和生物阴极的PEC性能。首先，样品从Inlet1注入。在此过程中，样品仅与生物阴极发生反应，而光电阳极不与样品接触，通过样品中的还原物质保护光电阳极免受干扰。图2A显示GOx-HRP/NPG/FTO生物阴极在GI中孵育后光电阳极的光电流明显降低。

检测原理表示如图S4A：Gl首先在生物阴极中被GOx催化生成H2O2，然后生成H2O2在HRP的催化下，将4-CN氧化成生物阴极表面的不溶性苯并-4-氯己二烯酮（4-CD）。绝缘的4-CD反过来导致ZnIn2S4/FTO阳极处的光电流降低，记录下来用于量化Gl。LA、PA和β-HB也以相同的方式抑制光电流（图2B-D）（Mackey等人，2007年）。三者的检测原理与Gl类似，除了β-HB是由β-HBDH催化产生H2O2在NAD+和MB的帮助下（图S4B-D）。

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