一種用于微流控系統內葡萄糖濃度測量的酶促光學式葡萄糖傳感器

近年來，研究人員試圖利用復雜的微流控細胞培養系統來模擬人體的病理/生理環境。這些所謂的器官芯片或微生理系統（MPS）有望比動物模型或靜態體外細胞培養模型更好地模擬人體。此外，通過集成傳感器，研究人員可以實現對這些微生理系統的控制，并將加強人們對疾病或藥物作用機制的理解。葡萄糖是人體細胞的主要能量來源，因此，監測微生理系統（MPS）內的葡萄糖可以為了解所培養細胞的活力和代謝狀態提供有價值的信息。然而，由于缺乏合適的微型傳感器，持續監測微生理系統內的葡萄糖具有一定挑戰性。

據麥姆斯咨詢報道，為了解決上述挑戰，來自奧地利格拉茨技術大學（Graz University of Technology）和維也納工業大學（Vienna University of Technology）等機構的研究人員共同提出了一種用于微流控系統內葡萄糖濃度測量的酶促光學式葡萄糖傳感器。這種直徑為1 mm的微型葡萄糖傳感器與參考氧傳感器被共同制作在具有良好生物相容性的壓敏膠帶上，使其易于集成在微流控系統中。此外，該研究所提出的微流控系統可以作為現有微生理系統的即插即用傳感系統。相關研究成果近期以“Optical glucose sensor for microfluidic cell culture systems”為題發表在Biosensorsand Bioelectronics期刊上。

該研究開發的光學式葡萄糖傳感器是一種酶促傳感器，其可以利用葡萄糖氧化酶（Gox）將葡萄糖轉化為葡萄糖酸內酯。這一反應過程引起的氧氣消耗量可以用磷光氧指示染料來測量。這一光學式葡萄糖傳感器由含有氧敏磷光染料和葡萄糖氧化酶交聯酶聚集體（Gox-CLEAs）的顆粒組成，這些顆粒被固定在具有良好生物相容性的水凝膠中。不含葡萄糖氧化酶的氧傳感器按照微流控系統中流體的流動方向集成在葡萄糖傳感器之前，以便對樣品中的氧氣含量進行參考測量。反應的副產物過氧化氫（H2O2）會使葡萄糖氧化酶失活，從而影響傳感器的壽命。因此，在傳感器組成中加入過氧化氫酶、鉑-納米顆粒（Pt-NPs）或二氧化釕（RuO2）等催化劑之一來去除過氧化氫。此外，該研究使用聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜覆蓋傳感器，其在限制葡萄糖擴散速度的同時會影響傳感器的測量范圍和靈敏度。

（A）光學式葡萄糖傳感器的傳感層由葡萄糖氧化酶交聯酶聚集體（Gox-CLEAs）、用氧敏染料染色的顆粒和用于過氧化氫分解的附加催化劑組成。以上所有組分都被嵌入水凝膠中，并被多孔膜覆蓋，以作為限制葡萄糖擴散的屏障。此外，該研究使用粘性傳感器基底將光學式葡萄糖傳感器集成在微流控器件中，并將光纖直接固定在葡萄糖傳感器基底上，用于光學讀出。（B）將氧傳感器和光學式葡萄糖傳感器集成到微流控流體腔室中。其中，氧傳感器集成在第一腔室中，光學式葡萄糖傳感器集成在第二腔室中。兩種傳感器都具有直徑為1.5 mm的葡萄糖擴散屏障。（C）采用含有不同催化劑類型的傳感器配方制備了直徑為600 μm ~ 800 μm的點狀傳感器。其中，含有鉑-納米顆粒（Pt-NPs）的傳感器比含有過氧化氫酶的傳感器明度更低，含有二氧化釕（RuO2）的傳感器顏色相對偏黑。

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葡萄糖傳感器的基本特性

為了評估所開發的光學式葡萄糖傳感器的長期穩定性，研究人員在細胞培養條件下（37°C，pH = 7.4）對其進行了連續5天的監測，監測結果顯示，該光學式葡萄糖傳感器表現出輕微的漂移（3%/天）。接著，研究人員進一步研究了氧氣濃度、pH、流速和滅菌方法等細胞培養參數對該光學式葡萄糖傳感器傳感性能的影響。最后，研究人員利用即插即用微流控系統對細胞培養（靜態）中的葡萄糖水平進行了在線測量，其測量結果與市售葡萄糖傳感器具有良好的一致性。

細胞培養參數對光學式葡萄糖傳感器性能的影響

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光學式葡萄糖傳感器的長期穩定性及其與市售葡萄糖傳感器的測量結果對比

綜上所述，該研究開發了一種光學式葡萄糖傳感器，其可以很容易地集成到微流控系統中，并且能夠在細胞培養條件下進行穩定的葡萄糖測量。在將來的研究中，研究人員計劃將這種光學式葡萄糖傳感器集成到更復雜的微生理系統中，以控制細胞培養和監測細胞內葡萄糖的消耗。此外，還可以在該微流控光學式葡萄糖傳感器系統中進一步集成光學pH傳感器和氧傳感器。這些傳感器集成在細胞附近，可以測量細胞外酸化速率和細胞的耗氧量，從而能夠利用一個集成裝置對代謝相關的多重參數進行同時監測。

審核編輯：劉清