用于汗液中葡萄糖浓度和pH检测的生物传感界面

血液一直被认为是检测人体健康的首选分析物。但是，抽血检查容易使人体受到感染，具有一定的创伤性。相比之下，汗液检测是一种非侵入性的分析手段。汗液较容易在表皮上获取和收集，而且汗液中含有多种与健康评估和疾病诊断有关的生物标志物，如pH、葡萄糖、乳酸、蛋白质、钙离子、氯离子等。因此，汗液传感分析作为一种无创检测方式，对于疾病诊断有着极其重大的意义。

随着纳米材料的引入，基于纳米材料的新型生物传感界面发展迅速。金属有机框架（metal-organic framework，MOF）材料是一类新型多孔晶体材料，是由金属离子/团簇和有机桥接配体配位而成的一维、二维或三维结构。金属有机框架具有结构与孔道尺寸可调控性、多孔性、比表面积大、组成多样和金属位点不饱和性等特点。近年来，金属有机框架也作为一种新兴传感材料被广泛应用于食品、环境、重金属、有毒气体等检测。然而，目前，基于金属有机框架材料的荧光生物传感器、电化学生物传感器等，多借助外用精密设备，检测流程较为复杂，且其在汗液生物传感中的应用较少。

据麦姆斯咨询介绍，为了解决以上问题，来自北京信息科技大学的研究人员设计了一种基于微纳米金属有机框架的汗液生物传感界面，用于人体汗液的比色检测。这种微纳米金属有机框架制备方法简单、成本低廉、稳定性好，而且可以长时间保存。此外，该研究通过比色法对汗液中的葡萄糖、pH进行检测，可以较为直观地观察到反应过程中的颜色变化，操作方便，检测快速、灵敏。相关研究成果以“基于微纳米金属有机框架的汗液生物传感研究”为题，发表在《传感器世界》期刊上。

基于微纳米金属有机框架的汗液生物传感界面表征

图1为微纳米金属有机框架在扫描电子显微镜下的表面微观形貌图像。从图中可以看出，金属有机框架呈大小均匀的米粒状，参差不齐，相互交叠，孔隙较多，具有较高的粗糙度及较大的比表面积，有利于待测物的牢固吸附与富集，可以提高检测灵敏度。

图1 微纳米金属有机框架的表面微观形貌表征

图2（a）为制备出的微纳米金属有机框架在光学接触角张力测试仪下的图像，当2 μL的液滴触碰到微纳米界面后会完全铺展，接触角接近于0°，呈超亲水性；图2（b）为微纳米金属有机框架经表面改性后在光学接触角张力测试仪下的图像，接触角为154.3 ± 3.0°，呈超疏水性，因此，通过图案化处理形成的超疏水-超亲水传感界面能够使待测液滴完全限制在超亲水区域内；图2（c）为2 μL不同浓度的紫色染料滴加到图案化传感界面的实物图，从图中可以看出，由于浸润性差异，液滴完全位于超亲水微孔中且没有溢出，液滴之间不会互相干扰，这使得待测液滴能够富集在检测区域内，有利于后续样本的分析检测。

图2 超浸润传感界面表征

基于微纳米金属有机框架的汗液生物传感界面检测性能

（1）工作液中葡萄糖浓度的检测

葡萄糖氧化酶能够催化葡萄糖氧化成葡萄糖酸，继而产生红棕色络合物。图3是葡萄糖溶液在浓度梯度为0 mmol/L、1.25 mmol/L、2.5 mmol/L、3.75 mmol/L、5 mmol/L的检测柱状图，从图中可以看出，随着葡萄糖溶液浓度的增加，其对应的R、G、B值有着明显的变化趋势，都随着葡萄糖溶液浓度的增加而显著降低。

图3 工作液中葡萄糖浓度的检测

（2）工作液pH检测

紫色石蕊试剂是一种常用的酸碱指示剂，遇酸变红，遇碱变蓝。图4是pH 为6、6.5、7、7.5、8的检测柱状图，从图中可以看出，随着pH的变大，溶液由酸性变为碱性，其对应的R值逐渐减小，G、B值的整体趋势呈先增大后减小。

 

图4 工作液pH检测

（3）人体汗液中葡萄糖浓度的检测

收集志愿者有氧运动半小时后的汗液，取1 μL滴加在基于微纳米金属有机框架的功能化微孔中，进行实际人体汗液的葡萄糖与pH检测，分别进行6组检测。图5（a）是实际汗液的葡萄糖检测柱状图，与图3进行比对，可以得出，该志愿者的汗液中几乎没有葡萄糖，健康状况良好。由于出汗率的差异，人体汗液的pH正常范围一般为4.2 ～ 7.5。图5（b）是实际汗液的pH检测柱状图，与图4进行比对，可以得出，该志愿者的汗液pH在6.5 ～ 7之间。上述检测结果可以得出，该研究的基于微纳米金属有机框架的生物传感界面可实现人体汗液的高灵敏、可靠检测，具有一定的实际应用价值。

 

图5 实际人体汗液中的葡萄糖浓度和pH检测

综上所述，该研究制备了微纳米金属有机框架，对其进行表面改性、图案化处理以及功能化修饰，设计出了一种制备简单、成本低、稳定性好的汗液生物传感界面。这种基于微纳米金属有机框架的汗液生物传感界面实现了葡萄糖、pH的准确比色分析，可用于实际人体汗液检测。本研究的基于微纳米金属有机框架的汗液生物传感界面，在多组分生物传感和生物医学等领域具有巨大的潜在应用前景。

审核编辑：刘清