一种用于无创追踪人体体液中维生素C浓度的汗液电化学传感器

营养状况监测在维系人体健康和预防疾病中起着重要的作用。维生素C，也称为抗坏血酸，是一种人体必需营养素，其可以提高人体免疫力，促进手术后伤口的恢复。在健康人类血清中维生素C含量为50 μM~70 μM，汗液中的浓度则为10 μM~50 μM。维生素C的适当摄入可以促进人体健康。体内缺乏维生素C可能会导致坏血病、肌无力、皮肤和牙龈出血等疾病，而过量的维生素C可能会导致肾结石、恶心、腹泻等疾病。因此，开发用于快速监测维生素C的高性能、可靠的传感器对于公共卫生保健具有重要意义。

近期，吉林大学张彤教授课题组在ACS AMI杂志在线发表了题为“Nonenzymatic Flexible Wearable Biosensors for Vitamin C Monitoring in Sweat”的论文，第一作者为朱崇绘博士，通讯作者为张彤教授。该研究通过具有较强酸性和高度对称的环状结构植酸功能化聚苯胺（PANI）薄膜，构建了非酶基电化学传感器，实现了对维生素C的高灵敏的监测。并设计了一个简单的、便携式维生素C检测系统，为可穿戴汗液检测设备在营养指导方面的应用提供了一个新的思路。

在这项研究中，研究人员将苯胺单体加入到含有引发剂和有机酸的溶液中，通过界面合成法制备了植酸掺杂的PANI薄膜。24小时后，在空气-水界面出现一层均匀且连续生长的PANI薄膜。苯胺低聚物沉积在容器底部，不参与成膜。PANI薄膜中掺杂的有机酸结构为电子转移到活性分子提供了有利的位点，可以加速电子在电极表面和生物分子之间的转移。这种PANI薄膜可以通过简单的提拉法转移到丝网印刷电极上以供测试（图1）。



图1 聚合物薄膜的合成示意图  

为了评估该传感器在实际应用中的实用性，对受试者的汗液以及唾液中的维生素C含量进行了检测。在四名受试者服用1300 mg维生素C前后，收集他们的汗液以检测传感器电流的变化。通过服用维生素C前后的电流差来估计△I的信号变化。在90 min的监测时间内，所有志愿者汗液中的维生素C含量都有所增加，但是△I的值略有不同，这可能是由于个人的新陈代谢、体重、饮食习惯等因素的差异。

唾液是一种容易获得的体液，在现场测试中具有广阔的应用前景。因此，在服用维生素C后，对唾液进行监测。采集的唾液样本没有经过任何处理，直接用于测试。结果显示，响应电流值在60 min之后逐渐降低。唾液中最大响应电流的时间与汗液中的不同，这是由于维生素C分子通过不同的代谢途径从血浆排泄到不同的体液中导致（图2）。上述结果表明，该传感器在个性化营养指导方面具有一定的应用潜力。



图2 维生素C的检测过程示意图：（a）在0-90 min内，传感器对四个测试对象的汗液（b）和唾液（c）中维生素C的电流变化；（d）检测模块的工作原理  

为了增强传感器的实用性，研究人员设计了一个便携式维生素C检测系统。图3展示了该便携式维生素C传感器和集成电路模块的照片。该便携式传感器是由信号转换和微控制器两部分组成，然后通过无线蓝牙设备传输到计算机。随后，开发了一个基于Java的应用程序，用于操作和显示结果。虽然该监测系统存在一些偏差，但总体趋势与之前的测试结果一致。这种基于二维PANI薄膜传感器检测系统在日常生活中对维生素C的监测具有一定的潜力。

图3 （a）便携式维生素C检测发带；（b）电化学模块；（c）Nodemcu-32模块

综上所述，研究人员设计了一种用于无创追踪人体体液中维生素C浓度的汗液电化学传感器。植酸高度对称的环状结构，加强了PANI链之间的电子传输，且其具有较多羧基结构，使得该薄膜具有更多催化位点，从而提高了传感器对抗坏血酸的传感性能。同时，该PANI薄膜传感器还可用于检测摄入维生素C后未经处理的汗液和唾液中维生素C的含量变化。不同的测试对象在摄入定量的维生素C后表现出不同的响应电流，这可能是由于个人的新陈代谢、体重、饮食习惯等因素的差异。该传感器这种药理学追踪的特性体现了其在营养指导方面的应用潜力。         

审核编辑：刘清