文献解读 || Chem. Eng. J. 基于纳米纤维的可穿戴微流控系统，集成电化学和比色法传感阵列，用于多重汗液
研究背景及领域挑战
生物流体，如血液、间质液、汗液、尿液和泪液，含有大量与生理状态相关的生物标志物（代谢物、蛋白质、激素和电解质）。在这些生物液体中，汗液对个人保健有很大的兴趣，因为它可以无尽地被提取，并在不同的地点连续采样，而且它含有丰富的生物标志物。
连续检测汗液中的生物标志物对于监测日常健康状况和早期疾病诊断（如囊性纤维化和糖尿病）具有重要意义。然而，传统的技术依赖吸收器（如垫子和纱布）进行收集，以及昂贵和笨重的实验室设备进行分析，这不能实现对汗液的原位和实时监测。
目前，人们对开发护理点检测（POCT）产生了广泛的兴趣和努力，它具有设备小型化、程序简化、分析快速等特点。尽管这些设备可以在病人的病床上、事故现场甚至在家里将检测结果传送给用户，但它仍然需要在体外处理样本，并且缺乏实时和原位监测的能力。
可穿戴传感器的最新进展已经开始为汗液分析提供新的见解。这些集成了传感元件、电子元件和其他功能元件的设备可以直接附着在人体皮肤上或佩戴在皮肤上，能够以非侵入性的方式提供身体动态生物分子状态的实时概况。
目前，各种皮肤接口的传感器已被开发出来，用于无创和实时测量汗液中的化学成分（例如，葡萄糖、尿酸、pH值、Na+）。然而，这些可穿戴设备的性能往往受到限制，原因是在采样过程中汗液蒸发和污染，传感器表面的汗液输送不对称，不同传感器之间的串扰，等等。
微流体技术代表了一种很有前途的密封和操纵汗液的途径，从而从汗液中捕获汗液皮肤和路由到不同的传感室。然而，大多数报道的可穿戴式微流控传感器需要昂贵的仪器、专门的实验室条件和繁琐的制造工艺，例如使用硅树脂弹性体制造微流控部件的光刻技术。
因此，迫切需要使用替代技术的低成本可穿戴微流体传感器，以实现廉价和可扩展的设备。目前的可穿戴微流控网络（微通道、水库和反应室）是基于没有任何填充物的空心结构。
这种结构不能避免可溶性化学试剂从传感室扩散对皮肤造成的潜在化学伤害，也不能保护传感器免受皮肤的污染。此外，由于制造过程涉及不同材料、传感元件和层的整合，将多模态传感器纳入一个可穿戴的微流体装置仍然面临着明显的挑战。
在这里，哈尔滨工业大学李迎春提出了一个灵活的、可穿戴的基于纳米纤维的微流体分析系统（NFMAS），用于现场和实时汗液分析。NFMAS由一个基于纳米纤维的微流控网络（NFMN）、两个双模式传感阵列以及信号处理和传输部件组成。
电纺纳米纤维具有高孔隙率、柔韧性和可调控材料组成的特点，可作为NFMN构建的关键部件、电化学电极制造的基质和比色试剂固定化的基质。精心设计的NFMN可以自发地捕捉汗液并将其输送到不同的微通道和传感室。
双模式传感阵列包含一个电化学传感（ECS）阵列和一个比色传感（CS）阵列，可以同时监测ECS和CS信号输出中的五种汗液生物标志物（葡萄糖、乳酸、pH、Cl-和尿素）。
作为概念验证，所开发的系统由志愿者佩戴，其汗液测试结果与 "黄金方法 "相当。这项工作为设计和制造可穿戴的、多模态的和多重的微流控汗液分析装置提供了一种全新的但有希望的方法。
可穿戴的可穿戴的基于纳米纤维的微流体分析系统 ( NFMAS）可以自发地捕捉汗液，并通过柔软的NFMN进行现场、无创和无线汗液监测。该系统包含一个双模式传感模块，可以在电化学和比色法的基础上同时检测五个与健康有关的生物标志物（葡萄糖、乳酸、pH值、Cl-和尿素）。
电纺和直接喷墨（DIW）的便捷和低成本的加工策略被用来制造关键部件。NFMAS由三个主要部分组成（图1A）：（i）用于汗液捕获和路由的软NFMN，（ii）嵌入NFMN的电化学传感器阵列并与用于电化学传感（ECS）的柔性电路板集成，（iii）嵌入NFMN的功能化纳米纤维阵列并与用于比色传感（CS）的NFC芯片集成。
NFMN由四层组成，包括两层纳米纤维基材和两层图案化的PDMS壁。PDMS壁由一个进口区（直径3.2毫米）和五个独立的圆形传感室（直径5.2毫米）组成，由五个分支的引导微通道（宽度0.7毫米）连接（图1B）。
更重要的是，所有的入口、微通道和腔室都充满了PI/SDS亲水纳米纤维，这允许在没有额外的帮助（如泵、执行器和吸收垫）的情况下自发地收集和输送汗液到传感腔室。双模式传感阵列被嵌入到NFMN中，并被纳米纤维包围。
这样的结构，一方面确保了汗液完全进入预期的位置（传感室），另一方面保护传感阵列不受皮肤分泌物的污染。由于密封的微通道和腔室，来自外部环境和汗液蒸发的干扰也被降至最低。
此外，纳米纤维作为微流控网络中的填料有助于固定试剂，并禁止其从原始位置扩散，这确保了每个传感单元独立工作，不受任何串扰。
包含五个传感单元的ECS阵列被刻画在纳米纤维基底上，其中PB/CNTs图案作为工作电极（直径为3.0毫米）和电路（图1A）。五个传感器位于两个纳米纤维基底之间，即嵌入到NFMN中。嵌入到NFMN中（图1A和C）。
此外，为了避免电路材料的脱落和开裂，两个PDMS层被用来封装电路。这样的结构让电路牢牢地附着在纳米纤维层上，并在抵抗机械应力方面表现良好。
CS阵列由五个不同的功能化纳米纤维薄膜组成，它们位于五个独立的感应室，与底部的ECS单元对齐（图1D-F）。这些功能化的纳米纤维薄膜是通过电纺预混有不同比色指示剂的PEO溶液获得的。
与广泛使用的滴注法相比，这种策略能够使检测试剂在纳米纤维基质中稳定地固定和均匀地分散。一个NFC芯片被嵌入到系统中，目的是在智能手机的帮助下无线记录和分析彩色图像。
图1G显示了最终的NFMAS的照片，它是灵活的，可以舒适地佩戴在不同的身体部位。与柔性电路板集成后，该系统可以实现对汗液的无线、现场和实时监测（图1H和I）。当汗液流入入口时，它通过微通道并充满ECS和CS传感室，产生电化学和比色信号以同时检测五个目标（图1F）。
图1. 用于汗液监测的NFMAS的整体设计。
图2. 汗液中生物标志物的比色分析。(A) 功能化纳米纤维薄膜的示意图，包括葡萄糖、乳酸、Cl-、pH和尿素。(B-F) 通过RGB分析图像的电气化%RGB值与标记物（葡萄糖、乳酸、Cl-、pH和尿素）浓度之间的关系曲线，用于定量分析。所有的实验都进行了三次平行测试。
图3. 汗液中生物标志物的电化学分析。(A) 多层组件的示意图，包括葡萄糖、乳酸、Cl-、尿素和pH感应单元。传感器单元获得的（B）葡萄糖和（C）乳酸相关水平的时间测温反应。(D)Cl-、(E)尿素和(F)pH的相关水平的OCP反应由传感器单元获得。B-F中的插图分别显示了葡萄糖、乳酸、Cl-、尿素和pH传感器的校准图。改变不同浓度的溶液时，数据记录暂停30秒。所有的实验都进行了三次平行测试。
图4. 对人体汗液的实时和体外分析。(A) 一个健康的志愿者在骑静止自行车时将开发的传感系统戴在手腕上的照片。(B-F) 从该系统获得的五种分析物的浓度（电化学分析和比色分析）与基于实验室的从吸收垫收集的汗液分析（n = 5）。*P < 0.05，双尾t检验。误差条代表三个平行测试的标准偏差。
综上所述，我们开发了一种新型的基于纳米纤维的微流控分析系统（NFMAS），它作为一种可穿戴设备，可对汗液进行现场、无线和无创监测。
由于精心设计的分析系统和策略，通过电化学和比色法对五种生物标志物（葡萄糖、乳酸、pH值、Cl-和尿素）的同时定量在一个微小的装置中实现。所有的关键部件（NFMN、ECS和CS阵列）都是通过简单、低成本的电纺和DIW加工策略制造的。
纳米纤维作为NFMN的关键成分，赋予了NFMN自发收集和输送汗液的良好能力。采样过程是密封的，因此最大限度地减少了汗液的蒸发。
此外，双模式（ECS和CS）传感阵列被嵌入到NFMN中，这可以保护传感单元不受污染。由于独立的传感室，传感单元之间的串扰可以有效避免。比色分析试剂被稳定地固定并均匀地分散在纳米纤维基质中，这只是通过电纺分析试剂和基质材料的混合物实现的。
更重要的是，将NFC芯片和FCB整合到所提出的系统中，使其有可能以无线方式获得实时分析数据。NFMAS的实际应用通过对志愿者的身体汗液监测得到了验证，其结果与 "黄金方法 "得到的结果非常一致。
人体研究表明，拟议的系统可以在体育锻炼期间牢固地安装在人体皮肤上，并提供与汗液化学有关的连续的、多模式的信息。NFMAS的多功能性和灵活性，以及其简易的制造工艺，揭示了在实时监测人类健康方面的实际应用前景。
为了实现基于纳米纤维的微流控传感器的最终民用应用，未来的努力将集中在进一步优化NFMAS的性能和验证其在囊性纤维化、糖尿病和肾病的无创监测中的价值。
此外，还将测量更多不同的生物标志物，以估计NFMAS的普遍性。此外，将物理传感（如温度和脉搏）功能整合到NFMAS中，以提供一个更通用的可穿戴系统。
文献链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472205728X
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