微流体传感器快速测量乳酸浓度

在这个领域的进步似乎势不可挡小型化和材料科学，各种各样的电子设备已经出现，帮助我们过上更轻松、更健康的生活。可穿戴式传感器就属于这一类，它们作为实时监测人的健康状况的有用工具，最近受到了很多关注。许多这样的传感器是通过量化生物标记来运作的，也就是说，可测量的指标可以反映一个人的健康状况。广泛使用的生物标记物是心率和体温，可以相对容易地连续监测。相反，体液中的化学生物标记物，如血液、唾液和汗液，用可穿戴传感器进行量化更具挑战性。

例如，乳酸盐，它是在分解过程中产生的葡萄糖在组织缺氧的情况下，它是一种重要的生物标记物，存在于血液和汗液中，反映了体育锻炼的强度以及肌肉的氧合情况。在运动过程中，需要能量的肌肉会迅速耗尽氧气，并回到另一种不同的代谢途径，以积累为代价提供能量乳酸会导致疼痛和疲劳。然后乳酸被释放到血液中，一部分通过出汗排出。这意味着可穿戴化学传感器可以测量汗水中的乳酸浓度，从而实时显示运动强度或肌肉状况。

虽然已经有人提出了测量乳酸的可穿戴传感器，但它们中的大多数都是由会对皮肤造成刺激的材料组成的。为了解决这个问题，日本的一个科学家团队最近进行了一项研究，为我们带来了一个更舒适和实用的传感器。他们的研究由日本东京科学大学纯化学系Isao Shitanda副教授、Masaya Mitsumoto先生和Noya Loew博士领导。

该团队首先关注的是他们将在传感器中使用的传感机制。大部分乳酸生物传感器由固定乳酸氧化酶(一种酶)和适当的介质在电极上制成。一种涉及乳酸氧化酶、介质和游离乳酸的化学反应导致电极之间产生可测量的电流——电流大致与乳酸浓度成正比。

这里一个棘手的方面是如何将酶和介质固定在电极上。为了做到这一点，科学家们采用了一种被称为“电子束诱导接枝聚合”的方法，通过这种方法，功能分子被连接到一种碳基材料上，这种材料可以自发地与酶结合。研究人员随后将这种材料转化为一种可用于打印电极的液体墨水。这最后一部分是未来商业化的一个重要方面传感器正如Shitanda博士解释的那样，“我们的传感器的制造与丝网印刷兼容，这是一种制造轻质、柔性电极的极好方法，可以大规模生产。”

传感机制完成后，该团队设计了一个适当的系统来收集汗水，并将其传输到传感器。他们利用一种由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的微流体汗液收集系统实现了这一目标;它由多个小入口、一个出口和一个用于传感器的腔室组成。“我们决定使用PDMS，因为它是一种柔软、无刺激性的材料，适合我们的微流控汗液收集系统，与皮肤直接接触，”Mitsumoto先生评论道。

该传感器对乳酸浓度的检测极限和工作范围被证实适用于研究运动过程中有氧(有氧)代谢转变为无氧(无氧)代谢的“乳酸阈值”。实时监控的身体现象对多个应用程序很重要,正如勒夫博士所言,“监控乳酸阈值将有助于优化运动员的训练和康复病人和老年人的锻炼例程,以及控制高性能人员像消防员的努力。”

该团队已经在实际场景中测试了这种传感器的实现。幸运的话，这项研究的进展将有助于开发可穿戴化学传感器领域，帮助我们更好地跟踪我们的身体过程，保持更好的健康。

这项研究发表在Electrochimica学报．