基于智能生物传感系统BIOSYS完成的可量产汗液传感器及解决方案

导语：

刷新传感发布的基于智能生物传感系统BIOSYS完成的可量产汗液传感器及解决方案，除了实验室的传感器测试，BIOSYS可以根据需要定制成可穿戴设备，满足实时测试和商业化需求。

BIOSYS除了提供I-T、OCPT方法外，还支持CV、DPV、SWV、RES等测试方法，实际的场景应用非常多，适合大部分电化学体系的液相检测和气相检测；如电化学生物传感器、电化学气体传感器、离子传感器、重金属检测传感器等，刷新传感提供从传感器研制到商业化整套技术解决方案，助力国内生物传感器的科研和落地应用。

智能生物传感系统BIOSYS（又称"U盘工作站"）采用“云+端”的结构，设备主机采用无线传输方式，通过移动终端APP或蓝牙基站等将数据送到云端统一进行分类、筛选、存储和应用；

BIOSYS系统具有如下特性：

➤集成度高，可视需求、场景定制开发为各类形态；

➤动态实时观测实验过程和结果；

➤批量实验数据可自动分析；

➤实验数据可平行移植至量产产品；

➤系统软件实现OTA远程升级功能。

汗液作为一种可无创获取的样本，具备作为健康管理指标的潜力。汗液主要是由外分泌腺分泌的，外分泌汗腺由一个分泌线圈组成，它是汗水的发源地，而汗水是由真皮管通过表皮输送到皮肤表面。在这个过程中，各种分析物，包括离子、代谢物、氨基酸、激素、蛋白质和多肽等，从附近的血液和组织液中排出融入汗水中，形成汗液排到体外；这些生物分子和化学元素携带了大量的人体健康信息，有很大的挖掘价值。在Nature的汗液综述文章[1]，列举了汗液中的一些生物标志物信息及其检测方法，如下图表所示。

刷新汗液传感器以BIOSYS为基础平台，运用I-T（时间-电流曲线）法表征生物酶传感器（如葡萄糖、乳酸检测等），运用OCPT（开路电势）法表征选择性离子传感器（如K+离子、Na+离子，pH检测等）。

选用丝网印刷电极的三电极系统（WE使用石墨烯电极、PB电极或Pt电极等均可，RE为Ag/AgCl电极，刷新传感制备）实现汗液中葡萄糖、乳酸的检测；选用丝网印刷电极的两电极系统（WE为碳电极、RE为Ag/AgCl电极）实现汗液中Na+、K+离子与pH的检测。同时，配合刷新开发的“BIOSYS生物传感器流道测试系统”可以模拟出汗场景的测试，通过精准控制流速来调节“出汗量”，根据测试结果不断优化传感器和系统。

第一部分：汗液葡萄糖的实时监测

根据BIOSYS系统的标准接口，制备合适的生物传感器电极（刷新传感可定制），配置生物酶混合液并进行修饰和固化，然后进行测试；如下是单通道测试数据。

 

图1 修饰电极单通道测试                      

 图2 单通道测试后台数据

为了模拟真实的汗液分析场景，实验中制备了多通道的汗液传感器（如下图所示），然后用多通道流道测试系统进行多路葡萄糖检测。

图3 多通道修饰电极

 

       

图4 流道工装及控制测试系统

图5 流道系统测试后台数据

数据建模：

1）根据测试数据，建立汗液葡萄糖浓度与电流的关系函数，根据汗液中葡萄糖的浓度范围，本实验设置的葡萄糖浓度等级为{0μM，10μM，50μM，100μM，150μM，200μM，250μM，500μM }，如下是数据拟合。

2）进一步的，从应用和工程化角度，需要考虑灵敏度、背景电流等参数随时间的变化，设计相应的实验进行测试，不断优化模型；模型拟合与传感器的设计强相关，如下是一种可参考的拟合函数，考虑了灵敏度和活性随时间的衰减问题。

第二部分：汗液传感器Na+/K+离子检测（基于流道系统测试）

根据BIOSYS系统的标准接口，制备合适的离子传感器电极（或联系刷新采购），配置离子选择性膜溶液并进行修饰和固化，然后进行测试；如下是汗液Na+离子检测多通道连续测试数据，溶液浓度梯度为{8mM，16mM，32mM，64mM，128mM，256mM }。

图6 多通道流道测试系统同时测试5路Na+离子传感器

实际场景中，为了保证更好的穿戴体验，可穿戴设备要求体积尽可能小。系统上可以考虑一个BIOSYS系统采用分时复用的方式，通过切换开关测试不同离子传感器通道。如下是一个BIOSYS设备同时对①/②号两个K+离子传感器实现连续监测，实验溶液浓度梯度为{1mM，2mM，4mM，8mM，16mM，32mM，64mM }：

图7 K+连续监测①号传感器offtime:1min/ontime:1min

图8 K+连续监测②号传感器offtime:1min/ontime:1min

图9 K+连续监测 ①号/②号传感器合并的测试曲线

如下是一个BIOSYS设备同时对①/②号两个Na+离子传感器实现连续监测，实验溶液浓度梯度为{8mM，16mM，32mM，64mM，128mM，256mM }

图10 Na+连续监测①号传感器offtime:1min/ontime:1min

图11 Na+连续监测②号传感器offtime:1min/ontime:1min

图12 Na+连续监测①号/②号传感器合并的测试曲线

数值拟合：根据测试数据拟合模型，考虑灵敏度、电位随时间的变化，如下曲线方程供参考，实际的模型需要根据传感器设计不断调整优化。

f (K+/Na+)=f(E,t)

C(K+/Na+)=10{E(t)-[aln(t)+b]}/Sen(t)

 

审核编辑 ：李倩