首个基于微流体管道的非酶式可穿戴葡萄糖传感器，可实时监测糖尿病患者汗液的葡萄糖指标丨专访

据国际糖尿病联合会（IDF）发布的《全球糖尿病概览（第九版）》统计，截至 2019 年，在 20 至 79 岁人群中，全球共有约 4.63 亿糖尿病患者。其中，中国以 1.164 亿糖尿病患者位居榜首，是糖尿病患者数量最多的国家。

通常，通过频繁地指尖针刺检测患者的血糖浓度,为患者注射胰岛素来降低血糖水平是最为普遍的治疗方式。所以，如何准确有效地检测患者血糖水平成为控制糖尿病的关键。

从测量方法上来看，血糖的检测需要利用针管收集少量血液样本，而长期的血糖监测则需要植入针管于皮下组织进行实时采样，这种方式给患者带来极大的痛苦。

人体体液（包括汗液、眼泪、口水）的葡萄糖浓度与血糖浓度呈正相关，通过测量体液葡萄糖浓度来推断血糖浓度，可以方便、快捷地为糖尿病患者进行监测。

从应用角度看，葡萄糖氧化酶被广泛地应用于各种葡萄糖传感器中，但是温度、湿度、pH 值等因素会影响其活性，从而降低了酶式葡萄糖传感器测量的准确性。

图丨相关论文（来源：Biosensors and Bioelectronics）

近日，宾夕法尼亚州立大学（PSU）工程科学与力学系助理教授程寰宇团队研发出一种基于微流体管道的非酶式可穿戴葡萄糖传感器。

该团队将微流芯片与非酶式葡萄糖传感器结合，用于汗液的连续采样以及葡萄糖浓度检测。该研究为非酶式柔性葡萄糖传感器在可穿戴生物医疗器件的应用提供了新的思路。

相关论文以《用于身体测量的激光诱导石墨烯非酶葡萄糖传感器》（Laser-induced grapHene non-enzymatic glucose sensors for on-bodymeasurements）为题发表在 Biosensors and Bioelectronics。

实现对汗液的葡萄糖指标的实时监测

近年来，非酶式葡萄糖传感器因其低价、超高灵敏度以及化学稳定性的优势获得了广泛的关注以及研究。通过引入多孔微结构，增加其表面积从而进一步提高非酶式葡萄糖传感器的灵敏度，线性响应区间成为了该领域的研究热点。

反应机理决定了非酶式葡萄糖传感器通常需要在碱性环境中使用，而人类体液 pH 值通常在酸性或中性范围，这极大地限制了这一类传感器在可穿戴设备以及表皮电子中的应用。

因此，如何将非酶式葡萄糖传感器应用于可穿戴设备和表皮电子进行体液葡萄糖浓度的测量成为一个亟待解决的难题。

程寰宇团队通过集成微流管道和含有碱性溶液反应腔，该非酶式葡萄糖传感器可以实现对汗液的葡萄糖指标的实时监测。

图丨基于激光诱导石墨烯（LIG）和 Ni/Au 化学镀的非酶式可穿戴葡萄糖传感器（来源：Biosensors and Bioelectronics）

程寰宇告诉 DeepTech，“微流芯片用于收集皮肤毛孔分泌的汗液，预设的反应腔中碱性溶液提供了非酶式葡萄糖传感器所需的碱性检测环境。并且，通过替换反应腔中的碱性溶液，该柔性可穿戴葡萄糖传感器可以被重复使用。”

反应腔内的多孔封装层设计在稳定性上得到了极大提升，一方面，处于远离皮肤的传感器之上；另一方面，即便在翻转甚至弯曲变形中也不会泄漏液体，进一步降低了碱性环境可能带来的安全隐患。

此外，微流管道上的标记可以帮助计算进入反应腔中的汗液体积，计算出汗液在碱性溶液中的稀释比例，进而保障了准确测量汗液葡萄糖浓度。

“集成的 pH 传感器可以实时检测反应腔体中的 pH 值，可以修正微环境 pH 变化带来的影响从而进一步提高葡萄糖浓度测量的准确性。”朱佳表示。

图丨程寰宇（左）与朱佳（来源：受访者）

该研究历时 2 年多，如何在微小的激光诱导石墨烯图案上进行金属沉积成为研究中的“难题”。

程寰宇表示，我们首先尝试了电子束沉积和电镀等方法，最终发现，可低成本、大规模生产的电化学电镀是最为有效的方法。“因为普通的电镀很难在 3D 多孔不平整表面的激光诱导石墨烯泡沫上完成，所以我们使用了无电极电化学电镀来完成镍和金的集成。”

并且，由于激光诱导石墨烯固有的多孔骨架结构，该方法制备的柔性葡萄糖传感器具有较宽的线性响应区间，适用于汗液以及血液中葡萄糖浓度的测量。

激光诱导石墨烯具有精细的多孔结构和超高的比表面，是极佳的柔性电化学传感器基底。柔性非酶式葡萄糖传感器通过在激光诱导石墨烯上进行简单的镍和金的化学电镀即可完成。

图丨变形下的基于 LIG 的柔性葡萄糖传感器或体内封装的葡萄糖传感器的演示（来源：Biosensors and Bioelectronics）

程寰宇指出，“弯曲变形对该柔性葡萄糖传感器的测量结果几乎没有影响，且其在弯曲变形疲劳测试后依然能提供准确地输出。”

该论文共同通讯作者朱佳认为，研究过程中最困扰的问题是如何突破碱性环境测量的约束，以将非酶式葡萄糖传感器应用于可穿戴汗液葡萄糖检测。

在经过多种尝试后，他们发现，可以通过集成微流控芯片以及多孔封装层碱性反应腔来实现一体化汗液收集和汗液葡萄糖检测。

将推进应用发展，可监测多样生物液体

非酶式可穿戴葡萄糖传感器的初步探索为将来基于激光诱导石墨烯泡沫电极的其他多种生物化学信号的无创测量产业化提供了新的思路。

除了葡萄糖的检测，该检测平台还可以应用在其他生物液体监测。例如，实现生物液体（汗液、组织液、唾液、泪液等）中多种生物标记物的无创实时监测，用以评估健康状况和早期诊断多种疾病。

谈及对该技术的未来期待，程寰宇对 DeepTech 表示，“因为这传感器平台基于低成本、易大规模生产的工艺，我们非常期待与合适的企业或平台合作迅速推进产业化，希望在未来几年让消费者放心使用。”

下一步，该团队将针对非酶式可穿戴葡萄糖传感器，进一步探索不同的沉积金属和它们的异质结构，以降低传感器对碱性 pH 环境的依赖，使其能在中性环境中工作（或者直接在传感电极上直接产生所需 pH 的微环境），同时也提高非酶式葡萄糖传感器的使用寿命。

“与此同时，我们将进一步在葡萄糖检测以外，积极开拓基于激光诱导石墨烯泡沫电极的其他多种生物化学信号的传感器。争取早日在无创、连续、实时测量多种癌症、创伤性脑损伤和包括 COVID 在内的多种传感疾病等多方面取得成果。”朱佳表示。