柔性一體化電化學(xué)傳感器檢測(cè)汗液的pH值及尿酸濃度

周靚 崔媛 赫春香

摘?要?分別以木犀草素和L-精氨酸作為pH值和尿酸（Uric acid，UA）的功能選擇性試劑，與碳粉混合，摻雜在聚氯乙烯（PVC）成膜液內(nèi)，制成pH柔性薄膜電極（pH flexible electrode，pH/FE）和尿酸柔性薄膜電極（UA flexible electrode，UA/FE）。將pH/FE、UA/FE、自制薄膜凝膠型Ag/AgCl參比電極、Pt絲電極平放在塑料薄膜上，用含有飽和KCl的聚乙烯醇-瓊脂膜包埋四電極，露出工作電極表面，構(gòu)成貼敷式柔性一體化電化學(xué)傳感器（Flexible integrated electrochemical sensor，F(xiàn)IES）。連接pH/FE，將pH 2.00～8.00的磷酸鹽緩沖溶液（PBS）分別滴涂在FIES表面，結(jié)果表明，在方波伏安曲線上出現(xiàn)一個(gè)氧化峰，峰電位與pH值呈線性關(guān)系。將含有UA的PBS滴涂在FIES表面，連接UA/FE，采用方波伏安法研究了UA的電化學(xué)行為，氧化峰電流與UA濃度在5.0×10?6～1.3×10?4 mol/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，檢出限為2.0×10?7 mol/L。將FIES貼敷于皮膚表面上，可直接測(cè)定汗液的pH值和UA濃度。

關(guān)鍵詞?pH柔性電極;尿酸柔性電極;一體化;電化學(xué)傳感器;貼敷式

1?引 言

可穿戴式傳感器以非入侵式、小型化、低成本等優(yōu)勢(shì)，近年來得到極大關(guān)注[1～5]，這類設(shè)備多集中于物理或電生理學(xué)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，如呼吸率、血氧含量、皮膚溫度、身體運(yùn)動(dòng)、大腦活動(dòng)和血壓等[6～11]?？纱┐骰瘜W(xué)傳感器通過對(duì)生物液體（如汗液[12～20]、眼淚[21～27]、唾液[28]等）的非入侵式監(jiān)測(cè)，對(duì)佩戴者的體能和傷病狀況進(jìn)行評(píng)估。采用可穿戴光化學(xué)傳感器已經(jīng)建立了pH 2.00～11.0 范圍內(nèi)的pH值[15，19]、NH+4[12，13]、乳酸[29]、Fe3+和Hg2+[30]以及葡萄糖[21，23，26]的測(cè)定方法，其中，電化學(xué)傳感器因其高性能、便攜性、簡(jiǎn)單性和低成本等優(yōu)勢(shì)占據(jù)主導(dǎo)地位[37]。

電化學(xué)可穿戴傳感器的導(dǎo)電薄膜基質(zhì)主要有兩大類：柔性塑料類高聚物薄膜和紡織類纖維[4];參比電極均為薄膜型Ag/AgCl;柔性薄膜型工作電極包括電導(dǎo)型[18]、電位型[12，32，33]和安培型傳感器[12，17]。電導(dǎo)型傳感器受選擇性局限，主要用于體液電解質(zhì)總量的監(jiān)測(cè)。采用電位型可穿戴電化學(xué)傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了pH 4.0～7.0 范圍內(nèi)的pH值[32]、Na+、K+和葡萄糖的測(cè)定[12，16，20，22]。安培型傳感器應(yīng)用范圍更廣。Gao等[12]將乳酸氧化酶或者葡萄糖氧化酶修飾于覆蓋了普魯士藍(lán)的金膜表面，Kim[28]、Jian[14]、Yao[24]等分別將乳酸氧化酶、葡萄糖氧化酶滴注到被普魯士藍(lán)、碳油墨修飾的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯基體電極上，構(gòu)成柔性乳酸和葡萄糖傳感器。Kim等[17]用鉍/Nafion修飾碳墨水柔性電極制成可穿戴臨時(shí)紋身傳感器，用方波陽極溶出伏安法測(cè)定了汗液中的Zn2+濃度。Mishra等[34]在碳油墨印刷無紡布基質(zhì)上點(diǎn)涂Nafion/OPH酶，制成柔性可伸縮手套，用方波伏安法檢測(cè)了食品中有機(jī)磷的濃度。Windmiller等[35]介紹了能同時(shí)測(cè)定2，4，6-三硝基甲苯、抗壞血酸、尿酸的“電子皮膚”，但未見傳感器制作方法的詳細(xì)報(bào)道。

可穿戴傳感器可實(shí)時(shí)、在體測(cè)定，與常規(guī)測(cè)定方法的區(qū)別之一是不宜優(yōu)化介質(zhì)條件，而某些測(cè)定對(duì)象，如抗壞血酸和尿酸等，其電信號(hào)與酸度條件密切相關(guān)，部分報(bào)道仍需借助緩沖溶液調(diào)節(jié)最佳測(cè)定條件。本研究以pH值和尿酸（Uric acid，UA）為測(cè)定模型物，設(shè)計(jì)了對(duì)pH值和UA有選擇性響應(yīng)的柔性薄膜電極（pH flexible electrode，pH/FE;UA flexible electrode，UA/FE），以及包埋了四電極的柔性一體化電化學(xué)傳感器（Flexible integrated electrochemical sensor，F(xiàn)IES），將其直接貼敷于皮膚表面汗液處，可以測(cè)定汗液的pH值和UA濃度，建立了受試者體液酸度不同時(shí)UA檢測(cè)信號(hào)的校正方法，提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2?實(shí)驗(yàn)部分

2.1?儀器與試劑

LK205A微機(jī)電化學(xué)分析系統(tǒng)（天津市蘭力科化學(xué)電子高技術(shù)有限公司）;pHS-3C型數(shù)字酸度計(jì)（上海雷磁儀器廠）。

木犀草素（純度98%，西安天本生物工程有限公司）;L-精氨酸（純度98%，上海康達(dá)氨基酸廠）;UA（純度99%，上?；瘜W(xué)試劑采購(gòu)站）;pH 2.00～8.00的系列磷酸鹽緩沖溶液（PBS），由濃度均為0.2 mol/L的H3PO4、KH2PO4、Na2HPO4、Na3PO4混合而成，采用酸度計(jì)測(cè)定酸度;光譜純石墨粉（純度99%，上海阿拉丁試劑公司）;聚氯乙烯（PVC，純度99.9%，F(xiàn)luka公司）;鄰苯二甲酸二丁酯（純度98.5%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司）。所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為石英亞沸二次重蒸水。

模擬汗液的配制[36]： 含有1.0 g/L尿素、1.0 g/L乳酸、1.0 g/L NaCl、1.0 g/L聚乙烯醇、20 μmol/L UA，用PBS緩沖溶液調(diào)至pH 5.0。

2.2?實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1?pH柔性電極的制備?參照本研究組前期工作[37，38]，將0.10 g木犀草素與1.0 g石墨粉充分研磨，混合均勻，待用。在平底玻璃圓筒（φ=40 mm）內(nèi)，加入3.0 mL四氫呋喃、0.400 g PVC粉，攪拌使PVC完全溶解，加入前述混合物，充分?jǐn)嚢璩蓱覞嵋海偌尤?0 μL鄰苯二甲酸二丁酯，混勻，放置，使四氫呋喃完全揮發(fā)，得到柔性電極膜。將膜剪成9.0 mm×30 mm的長(zhǎng)方形，厚度約為0.5 mm，在一端插入導(dǎo)線，再用熔融的固體石蠟包埋導(dǎo)線端 10 mm，得到pH/FE。

2.2.2?UA柔性電極的制備?參照文獻(xiàn)[39]的方法，在平底玻璃圓筒內(nèi)，加入4.0 mL四氫呋喃、0.10 g L-精氨酸，磁力攪拌成懸濁液，然后按2.2.1節(jié)的方法加入PVC等組分，成膜，剪裁得到UA/FE。

2.2.3?薄膜凝膠型Ag/AgCl參比電極的制備

參照文獻(xiàn)[40]?的方法，將0.60 g聚乙烯醇用20 mL熱水完全溶解;將0.60 g瓊脂粉加到微沸的20 mL飽和KCl溶液中，攪拌使之完全溶解，將兩份溶液均勻混合，得到聚乙烯醇-瓊脂導(dǎo)電液。將0.25 g AgNO3溶于3.0 mL 熱水中，并趁熱與20 mL熱導(dǎo)電液均勻混合，繼續(xù)加熱，使水分蒸發(fā)，得到糊狀物，插入Ag絲（Φ=0.5 mm），壓成1 mm厚的片狀，得到薄膜凝膠型Ag/AgCl參比電極。

2.2.4?柔性一體化電化學(xué)傳感器的組裝

將自制pH/FE、UA/FE、Ag/AgCl、Pt絲如圖1所示平鋪在自制聚四氟乙烯模具內(nèi)的柔性塑料薄膜上，將適量的2.2.3節(jié)制得的熱導(dǎo)電液傾倒在模具內(nèi)，使其在四電極表面形成薄液層，冷卻，形成柔性導(dǎo)電凝膠膜（Flexible conductive film，F(xiàn)CF）。用裁紙刀沿兩個(gè)工作電極的周長(zhǎng)輕輕劃線，揭去其表面的凝膠，露出工作電極，撤去模具，即得到 FIES（圖1）。

2.2.5?pH值的測(cè)定?將 FIES的電極面貼在皮膚汗液處，電化學(xué)系統(tǒng)的工作電極接線柱與pH/FE連接，在0.6～1.3 V電位范圍內(nèi)，以0.6 V為起始電位，記錄氧化峰電位Epa（方波增量0.01 V，方波幅度為0.05 V，方波頻率為20 Hz）。

2.2.6?UA濃度的測(cè)定?將FIES的電極面貼在皮膚汗液處，電化學(xué)系統(tǒng)的工作電極接線柱與UA/FE連接，在0～1.0 V 的電壓范圍內(nèi)，以0 V為起始電位，等待200 s，然后進(jìn)行方波掃描（電位增量為0.01 V，方波幅度為0.1 V，方波頻率為 20 Hz），記錄氧化峰電流。

3?結(jié)果與討論

3.1?FIES的設(shè)計(jì)

本研究自制了pH 和UA柔性工作電極，以及柔性凝膠型Ag/AgCl參比電極，再與Pt絲對(duì)電極匹配，通過共用參比電極和對(duì)電極，組成傳統(tǒng)電化學(xué)方法中的兩套三電極系統(tǒng)。不采用經(jīng)典電化學(xué)方法中的支持電解質(zhì)和電解池，而是用含有飽和KCl的柔性聚乙烯醇-瓊脂薄膜型導(dǎo)電凝膠將四電極聯(lián)通在一起，構(gòu)成了貼敷型FIES。

3.2?FIES對(duì) pH值的響應(yīng)

將 pH 2.00～8.00 范圍的PBS分別滴涂在FIES表面，記錄方波伏安曲線，曲線上均出現(xiàn)一個(gè)氧化峰，歸屬于pH/FE中的木犀草素[37]，其峰電位隨pH值的增大而負(fù)移（圖2A），并呈良好的線性關(guān)系（圖2B），線性回歸方程為Epa（V）=0.0538 pH + 0.637（r=0.999），基于此，可進(jìn)行pH值的測(cè)定。

3.3?FIES對(duì)UA的響應(yīng)特性

3.3.1?UA的方波伏安特性?人體新鮮排出的汗液pH值為5.0～6.0，隨著水分不斷降低，pH值有所下降，維持在4.0～6.0之間[41]，囊性纖維化病人的汗液pH 值可高達(dá)9.0[42]。據(jù)此，考察了不同濃度的UA在pH 5.00 的PBS中的方波伏安響應(yīng)。UA呈現(xiàn)一個(gè)氧化峰，峰電流隨UA濃度的增大而增大（圖3A），在5.00×10?6～1.30×10?4 mol/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系（圖3B），線性回歸方程為ipa（μA）=1.21×106c （mol/L）+56.2 （r=0.994），檢出限為2.00×10?7 mol/L（3σ）。正常人汗液中的UA濃度約為5.0×10?6 ～3.0×10?5 mol/L[43]，汗液中的UA超出正常范圍時(shí)，預(yù)示體內(nèi)UA過多，可能會(huì)引發(fā)痛風(fēng)等疾病。因此，本方法能夠滿足檢測(cè)汗液中UA濃度的一般需求。

3.3.2?酸度對(duì)UA峰電流的影響?UA的電化學(xué)氧化峰電流與介質(zhì)的pH值有關(guān)[45]。本研究考察了70 和 90 μmol/L UA在不同pH值時(shí)的峰電流，發(fā)現(xiàn)在pH 3.50～5.00時(shí)，峰電流隨pH值的增高而增大;pH 5.00～8.00時(shí)，峰電流隨pH值增高而減小（圖4）;在pH 5.00時(shí)，峰電流最大?？纱┐鱾鞲衅鲗?shí)時(shí)在體采集檢測(cè)信號(hào)時(shí)，不宜優(yōu)化介質(zhì)條件，因此，應(yīng)考慮不同受試者的汗液酸度差異對(duì)UA測(cè)定結(jié)果的影響。

3.3.3?pH≠5.0時(shí)UA峰電流的校正方法

由圖4可見，在pH 3.50～5.00和pH 5.00～8.00兩段范圍內(nèi)，UA的峰電流與pH值分別呈線性關(guān)系（線性方程見表1），從pH值與ipa的關(guān)系曲線以及線性方程的斜率可知，兩組峰電流與pH值的變化規(guī)律基本一致，因此，利用斜率的平均值建立了pH≠5.0的峰電流相對(duì)于pH=5.0 時(shí)的校正方法：當(dāng)受檢者汗液pH<5.0時(shí)，峰電流的校正方程為ip（pH 5.0）=ip（實(shí)測(cè)） + 30.7（5.0-pH實(shí)測(cè)）;pH>5.0時(shí)，校正方程為ip （pH 5.0）=ip（實(shí)測(cè)）+ 17.27 （pH實(shí)測(cè)-5.0） 。

3.4?方法的準(zhǔn)確度、精密度、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

按照實(shí)驗(yàn)方法分別測(cè)定pH 4.00、pH 6.86的市售標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的峰電位，每份溶液平行測(cè)定5次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

兩份溶液測(cè)定結(jié)果平均值的相對(duì)誤差（Er）分別是3.2%和2.1%，表明本方法準(zhǔn)確度良好，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）分別為0.3%和0.4%。同法制備5組FIES，檢測(cè)pH 7.0的PBS，pH值檢測(cè)結(jié)果分別為7.34、7.31、7.31、7.29、7.32，RSD為0.3%，表明此電極的重現(xiàn)性良好。

采用同一FIES連續(xù)5次測(cè)定40 μmol/L UA（pH 5.00），得到UA的濃度分別為42.2、39.7、40.5、41.9和39.8 μmol/L，相對(duì)誤差Er為2.0%，RSD為2.8%，說明此柔性電極穩(wěn)定性較好。同法制備5組FIES，測(cè)定結(jié)果（圖5）分別為41.8、40.7、39.1、36.2和37.3 μmol/L，Er為2.4%，RSD為5.6%。用同一套FIES裝置連續(xù)30天測(cè)定含80 μmol/L UA，第30天測(cè)定結(jié)果與第一天的結(jié)果僅相差3.4%，說明本方法測(cè)定UA具有良好的穩(wěn)定性。

3.5?柔性電極的選擇性

考察了Mg2+、Ca2+、Al3+、FeCl3、KNO3、UA作為共存成分對(duì)pH值測(cè)定的干擾。在pH 5.00 的PBS中分別配制含有1.0×10?3 mol/L 上述組分的溶液，按實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定Epa（圖6A）并計(jì)算pH值，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)誤差為0.6%～4.6%（圖7A），表明在允許存在±5%相對(duì)誤差前提下，上述成分均不干擾pH值的測(cè)定。

在pH 5.00的PBS中含有40 μmol/L UA，再分別加入上述無機(jī)成分，使共存組分的濃度為1.0 mmol/L，測(cè)定UA的峰電流（圖6B），發(fā)現(xiàn)各共存組分可能改變方波曲線的基線電流，但對(duì)峰電流和峰電位影響不大，最大相對(duì)誤差小于5%，說明上述成分均對(duì)UA的測(cè)定不產(chǎn)生干擾。

考慮到汗液、淚液、唾液等生理體液中含有微量脂肪酸、酶、蛋白質(zhì)等大分子，因此，以0.1%中性表面活性劑聚乙烯醇（PVA）為共存模型物，考察了其對(duì)PBS （pH 5.00）和UA測(cè)定的影響。結(jié)果表明，測(cè)定pH值和UA時(shí)，峰電流和峰電位幾乎不變（圖6A和6B），不干擾pH值和UA的測(cè)定。

3.6?汗液中pH值和UA的測(cè)定

將模擬汗液滴在實(shí)驗(yàn)者清洗后的胳膊表面，形成薄層汗液，將FIES貼敷于汗液處，連接pH/FE，按實(shí)驗(yàn)方法重復(fù)測(cè)定pH值 5次，測(cè)定結(jié)果（表2）的平均值為pH 4.94，Er為1.2%，RSD為0.5%。再連接UA/FE，按實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定UA濃度，測(cè)定結(jié)果（表2）的平均值為19.1 μmol/L，Er為4.5%，RSD為5.8%。

4?結(jié) 論

制備了pH柔性膜電極和UA柔性膜電極，搭建了柔性一體化電化學(xué)傳感器，并建立了人體汗液中pH值和UA的測(cè)定方法。本研究提供了可穿戴、在體、實(shí)時(shí)、無創(chuàng)測(cè)定體液組分的新型檢測(cè)裝置。更換柔性電極中的修飾劑，可以使其應(yīng)用于其它化學(xué)成分的測(cè)定。若能與微型電化學(xué)儀器聯(lián)用，應(yīng)用范圍更廣。

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