汗液乳酸傳感器設(shè)計(jì)與性能分析

王洋洋，徐曉龍，宋成君，咸婉婷，劉繼江

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

乳酸是血液中的葡萄糖或糖原在無(wú)氧或缺氧條件下生成的一種代謝物[1]。當(dāng)人體進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，體內(nèi)就會(huì)生成大量的乳酸，來(lái)不及分解的乳酸堆積在體內(nèi)會(huì)對(duì)人體造成傷害[2,3]。同時(shí)，對(duì)乳酸進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以反映人體的疲勞程度，通過(guò)監(jiān)測(cè)乳酸含量能夠監(jiān)控運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)量及新陳代謝狀況，從而對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使得訓(xùn)練方式變得更為有效[4，5]。因此，乳酸的檢測(cè)在醫(yī)療、體育運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域具有重要意義。

乳酸的檢測(cè)方法主要通過(guò)血液進(jìn)行有創(chuàng)的取樣，使用設(shè)備分析表明，這種方法的缺點(diǎn)一是有創(chuàng)，二是無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因汗液中含有乳酸等生理代謝產(chǎn)物[6]，且汗液可實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)采集，易于對(duì)人體生理信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是新一代可穿戴健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向[7，8]。美國(guó)德克薩斯大學(xué)的Lin K C等人已經(jīng)基于氧化石墨烯設(shè)計(jì)并制作了一種微型化的汗液乳酸傳感器，檢測(cè)限為2.7 μmol/L，具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[9]。同時(shí)，國(guó)外也有大量汗液乳酸檢測(cè)傳感器推向健康檢測(cè)產(chǎn)品市場(chǎng)，而目前，國(guó)內(nèi)汗液乳酸傳感器尚在實(shí)驗(yàn)室階段，無(wú)成熟產(chǎn)品問(wèn)世[10]。

本文制備了針對(duì)汗液中乳酸的柔性可穿戴生理信息傳感器，采用生物電化學(xué)原理，通過(guò)柔性敏感單元與柔性電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了傳感器的可穿戴，為未來(lái)與智能腕帶集成提供了技術(shù)儲(chǔ)備。

1 原理與實(shí)驗(yàn)

1.1 檢測(cè)原理

汗液中的乳酸的檢測(cè)采用生物催化原理。生物電化學(xué)酶?jìng)鞲衅?，是由生物酶膜和電化學(xué)電極組合而成的生物電流型傳感器。因酶具有分子識(shí)別，并具有特殊三維空間構(gòu)象的功能化蛋白質(zhì)，對(duì)基底物具有特異性催化能力，因此，酶?jìng)鞲衅骺梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)樣品的選擇性分析。本文制備了介體型酶生物電極。采用這種方法制備的生物分子傳感器，輸出穩(wěn)定較好，酶不易失活。

介體型酶電極含有電子媒介體的化學(xué)修飾層和酶膜層，電子媒介體具有良好的電催化活性，在催化還原過(guò)程中，首先與還原性的酶反應(yīng)，然后擴(kuò)散到金(Au)電極表面并進(jìn)行電子交換。這種電極的優(yōu)勢(shì)是不依賴于溶解氧、靈敏度高、消除其他電活性物質(zhì)在檢測(cè)過(guò)程中對(duì)LOX干擾。電子媒介體能夠促進(jìn)電子傳遞過(guò)程，減小噪聲、背景電流和干擾信號(hào)。本文采用的電子媒介體為鐵氰化物。

具體反應(yīng)過(guò)程如下：

酶層：LOX(ox)+乳酸 →丙酮酸 + LOX(red)

修飾層：LOX(red)+ M(ox)→LOX+M(red)

電極：M(red)→M(ox)+ ne-

式中 LOX(ox)：乳酸氧化酶(氧化態(tài)),M(ox)：鐵氰化物(氧化態(tài)),LOX(red)：乳酸氧化酶(還原態(tài))，M(red)：鐵氰化物(還原態(tài))。

檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 乳酸傳感器結(jié)構(gòu)示意

1.2 傳感器的制備

1)柔性電極的設(shè)計(jì)和制作

實(shí)驗(yàn)在聚酰亞胺(PI)襯底上制備了柔性Au電極用于電信號(hào)的檢出。制備過(guò)程如圖2。a.刻蝕凹槽：采用PI作為柔性傳感器的基底材料，刻蝕凹槽用于制作反應(yīng)單元，后續(xù)在凹槽內(nèi)沉積Au電極及制備敏感層。具體：在PI上蒸鍍鋁膜作為掩模，光刻后出所需圖形，再通過(guò)干法刻蝕完成凹槽制作，深度控制在20～30 μm。b.柔性Au電極制作：采用蒸發(fā)的方法制備了柔性Au電極，在掩模的保護(hù)下將Au通過(guò)熱蒸發(fā)沉積在PI上，厚度約(3 000～5 000)×0.1 nm，形成均勻的金屬薄膜。c.在金電極上制備功能性敏感膜層，完成柔性可穿戴汗液乳酸傳感器敏感單元制作。

圖2 柔性電極制備過(guò)程

2)介體層和敏感膜的制作

采用電化學(xué)沉積的方法在柔性Au電極上沉積介體層，然后在介體層上滴加敏感酶溶液，經(jīng)低溫干燥固化得到敏感酶生物電極。使用電化學(xué)工作站，在含有3 mmol/L FeCl3,50 mmol/L KCl,3 mmol/L K3Fe(CN)6,50 mmol/L HCl的溶液中，采用循環(huán)伏安法掃描周期10周，掃描速率為50 mV·s-1，掃描電壓為-0.5～0.6 V，將鐵氰化物介體層沉積到Au電極上。介體層的作用是參與酶促反應(yīng)，提高傳感器的穩(wěn)定性。

乳酸敏感膜的制備具體過(guò)程為：將添加了乳酸氧化酶/碳納米管/殼聚糖溶液滴加到鐵氰化物/Au電極上(乳酸氧化酶40 g·L-1)，在4 ℃環(huán)境中無(wú)光照干燥，實(shí)驗(yàn)討論了酶的用量。本文為了提高傳感器測(cè)試準(zhǔn)確性，制作了多路乳酸敏感生物酶膜電極，檢測(cè)數(shù)據(jù)取平均值，傳感器以Ag/AgCl為參比電極，Au電極為對(duì)電極,如圖3所示。

圖3 汗液乳酸傳感器

1.3 傳感器性能測(cè)試

采用美國(guó)FEI公司INSPECT—S50型掃描電子顯微鏡對(duì)鐵氰化物介體層的微觀表面形貌(SEM)進(jìn)行分析測(cè)試。

使用瑞士萬(wàn)通公司生產(chǎn)的AutoLab302N電化學(xué)工作站，采用計(jì)時(shí)電流法考察乳酸傳感器的濃度—輸出電流曲線，對(duì)傳感器線性、靈敏度進(jìn)行考察。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌分析

圖4為鐵氰化物介體層表面的微觀形貌。電沉積的介體層表面疏松，分布較多的孔隙，具有大的比表面積，提高敏感材料與乳酸的接觸面積，降低傳感器的檢測(cè)下限，提高傳感器靈敏度。實(shí)驗(yàn)表明：在柔性Au電極上沉積鐵氰化物介體層與基底Au電極具有良好的結(jié)合力和優(yōu)異的電化學(xué)性能。

圖4 鐵氰化物介體層表面形貌分析

2.2 乳酸氧化酶用量對(duì)傳感器性能影響分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)乳酸氧化酶的用量進(jìn)行了優(yōu)化，在化學(xué)修飾電極表面分別滴涂0，0.3，0.6，0.9，1.2 μL乳酸氧化酶(40 g·L-1)溶液，并采用計(jì)時(shí)電流法考察了傳感器在2 mmol/L乳酸溶液中的電流響應(yīng)。如圖5所示，隨著滴加量增加，傳感器對(duì)于乳酸的電流響應(yīng)急劇上升。而當(dāng)酶量從0.6 μL進(jìn)一步增加到1.2 μL，傳感器的電流信號(hào)變化并不大，0.9 μL左右達(dá)到峰值，由于酶用量增大到一定程度時(shí),底物成為限制因素酶促反應(yīng)速率不再增加，因此,選擇酶的用量為0.9 μL。

圖5 乳酸氧化酶用量對(duì)傳感器性能影響

2.3 傳感器輸出特性分析

圖6為傳感器濃度與輸出電流關(guān)系曲線。采用計(jì)時(shí)電流法考察了乳酸生物電極在不同濃度乳酸溶液中的電位響應(yīng)，將選擇性電極分別置于(5～25)mmol/L的乳酸溶液中，如圖分析可知，隨著溶液中乳酸濃度的增加傳感器輸出的電流增大。傳感器在檢測(cè)范圍內(nèi)線性較好，工作曲線方程為y=1.097x-35.87，傳感器線性精度為1.85 %FS，線性相關(guān)系數(shù)為0.960 1。

圖6 傳感器的濃度—輸出電流關(guān)系曲線

2.4 傳感器選擇性分析

乳酸傳感器的抗干擾能力測(cè)試如圖7。從圖中可以看到，5 mmol/L尿素，0.4 mmol/L葡萄糖，0.2 mmol/L尿酸和0.01 mmol/L抗壞血酸產(chǎn)生的干擾信號(hào)與5 mmol/L乳酸產(chǎn)生的電流信號(hào)相比，前者明顯要小得多。說(shuō)明這些汗液中常見(jiàn)的代謝產(chǎn)物對(duì)乳酸傳感器的影響非常有限，制備的乳酸傳感器具有良好的抗干擾能力。

圖7 傳感器選擇性分析實(shí)驗(yàn)

3 結(jié) 論

本文采用電化學(xué)沉積的方法在柔性Au電極上制備了一種應(yīng)用于汗液中乳酸檢測(cè)的生物電化學(xué)傳感器。實(shí)驗(yàn)在PI柔性襯底上制備了Au電極，采用高分子材料復(fù)合乳酸特異性氧化酶，實(shí)現(xiàn)了乳酸的選擇性檢測(cè)。本文設(shè)計(jì)的傳感器具有柔性可穿戴、選擇性好、檢測(cè)限低、線性好的特點(diǎn)。