一種用于無創追蹤人體體液中維生素C濃度的汗液電化學傳感器

營養狀況監測在維系人體健康和預防疾病中起著重要的作用。維生素C，也稱為抗壞血酸，是一種人體必需營養素，其可以提高人體免疫力，促進手術后傷口的恢復。在健康人類血清中維生素C含量為50μM~70 μM，汗液中的濃度則為10μM~50 μM。維生素C的適當攝入可以促進人體健康。體內缺乏維生素C可能會導致壞血病、肌無力、皮膚和牙齦出血等疾病，而過量的維生素C可能會導致腎結石、惡心、腹瀉等疾病。因此，開發用于快速監測維生素C的高性能、可靠的傳感器對于公共衛生保健具有重要意義。

近期，吉林大學張彤教授課題組在ACS AMI雜志在線發表了題為“Nonenzymatic Flexible Wearable Biosensors for Vitamin C Monitoring in Sweat”的論文，第一作者為朱崇繪博士，通訊作者為張彤教授。該研究通過具有較強酸性和高度對稱的環狀結構植酸功能化聚苯胺（PANI）薄膜，構建了非酶基電化學傳感器，實現了對維生素C的高靈敏的監測。并設計了一個簡單的、便攜式維生素C檢測系統，為可穿戴汗液檢測設備在營養指導方面的應用提供了一個新的思路。

在這項研究中，研究人員將苯胺單體加入到含有引發劑和有機酸的溶液中，通過界面合成法制備了植酸摻雜的PANI薄膜。24小時后，在空氣-水界面出現一層均勻且連續生長的PANI薄膜。苯胺低聚物沉積在容器底部，不參與成膜。PANI薄膜中摻雜的有機酸結構為電子轉移到活性分子提供了有利的位點，可以加速電子在電極表面和生物分子之間的轉移。這種PANI薄膜可以通過簡單的提拉法轉移到絲網印刷電極上以供測試（圖1）。



圖1 聚合物薄膜的合成示意圖

為了評估該傳感器在實際應用中的實用性，對受試者的汗液以及唾液中的維生素C含量進行了檢測。在四名受試者服用1300 mg維生素C前后，收集他們的汗液以檢測傳感器電流的變化。通過服用維生素C前后的電流差來估計△I的信號變化。在90 min的監測時間內，所有志愿者汗液中的維生素C含量都有所增加，但是△I的值略有不同，這可能是由于個人的新陳代謝、體重、飲食習慣等因素的差異。

唾液是一種容易獲得的體液，在現場測試中具有廣闊的應用前景。因此，在服用維生素C后，對唾液進行監測。采集的唾液樣本沒有經過任何處理，直接用于測試。結果顯示，響應電流值在60 min之后逐漸降低。唾液中最大響應電流的時間與汗液中的不同，這是由于維生素C分子通過不同的代謝途徑從血漿排泄到不同的體液中導致（圖2）。上述結果表明，該傳感器在個性化營養指導方面具有一定的應用潛力。



圖2 維生素C的檢測過程示意圖：（a）在0-90 min內，傳感器對四個測試對象的汗液（b）和唾液（c）中維生素C的電流變化；（d）檢測模塊的工作原理

為了增強傳感器的實用性，研究人員設計了一個便攜式維生素C檢測系統。圖3展示了該便攜式維生素C傳感器和集成電路模塊的照片。該便攜式傳感器是由信號轉換和微控制器兩部分組成，然后通過無線藍牙設備傳輸到計算機。隨后，開發了一個基于Java的應用程序，用于操作和顯示結果。雖然該監測系統存在一些偏差，但總體趨勢與之前的測試結果一致。這種基于二維PANI薄膜傳感器檢測系統在日常生活中對維生素C的監測具有一定的潛力。

圖3 （a）便攜式維生素C檢測發帶；（b）電化學模塊；（c）Nodemcu-32模塊

綜上所述，研究人員設計了一種用于無創追蹤人體體液中維生素C濃度的汗液電化學傳感器。植酸高度對稱的環狀結構，加強了PANI鏈之間的電子傳輸，且其具有較多羧基結構，使得該薄膜具有更多催化位點，從而提高了傳感器對抗壞血酸的傳感性能。同時，該PANI薄膜傳感器還可用于檢測攝入維生素C后未經處理的汗液和唾液中維生素C的含量變化。不同的測試對象在攝入定量的維生素C后表現出不同的響應電流，這可能是由于個人的新陳代謝、體重、飲食習慣等因素的差異。該傳感器這種藥理學追蹤的特性體現了其在營養指導方面的應用潛力。

審核編輯：劉清