碳納米管-聚硅氧烷手套式可穿戴傳感器的構(gòu)建及用于無創(chuàng)尿酸檢測

尿酸（UA）作為嘌呤代謝終產(chǎn)物，是臨床診斷中重要的生物標(biāo)記物[1]。UA 濃度異常與痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎、代謝綜合征、心血管病變及腎功能損傷等疾病顯著相關(guān)。因此，UA水平的動態(tài)監(jiān)測已成為預(yù)防醫(yī)療的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，UA檢測方法主要包括毛細(xì)管電泳法、比色法、高效液相色譜法和熒光光譜法[2-3]，但這些方法普遍存在儀器體積龐大、操作流程復(fù)雜等缺點，難以滿足即時檢測的需求。相比之下，電化學(xué)檢測技術(shù)具備成本低、靈敏度高和響應(yīng)快速等優(yōu)勢[47]。此外，UA在人體生理濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出顯著的電化學(xué)活性，能夠被高效氧化，并且該氧化過程受其它物質(zhì)干擾較小，因此，電化學(xué)方法在UA檢測中具有良好的適用性[8-12]。

雖然血清的UA檢測仍是臨床診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，但侵入性采血過程可能導(dǎo)致患者不適。相比之下，汗液、唾液和尿液等非侵入性體液樣本不僅能夠準(zhǔn)確反映機(jī)體的UA水平，而且樣本采集便利，具有更高的接受度[13-14]，這使得非侵入性體液檢測成為極具潛力的替代方案。目前已有多個研究團(tuán)隊開發(fā)了非侵入性體液中的UA檢測方法。 Xu 等[5采用基于聚乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸（PEDOT：PSS）水凝膠的柔性微流控傳感器實現(xiàn)了汗液中UA的高精度檢測。Zhang等[16制備了Au簇/殼聚糖修飾的激光石墨烯電極，基于其超親水特性和三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可用于同步檢測汗液中的UA濃度和pH值。Liu等[17構(gòu)建了集成過濾和溫控功能的便攜式唾液檢測系統(tǒng)，可簡化唾液中UA濃度的檢測流程，為唾液分析物檢測提供了新策略。Li等[18]創(chuàng)新性地將多通道電化學(xué)傳感器集成于智能尿布中，實現(xiàn)了尿液中多種代謝物的原位分析。

開發(fā)適用于實際檢測場景的可穿戴傳感器，其核心在于制備兼具高靈敏度、優(yōu)異機(jī)械性能以及加工便利性的電極材料[19]。碳納米管（CNT）具有規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)和超高的比表面積，被認(rèn)為是理想的候選電極材料[20]。聚硅氧烷（Putty）材料具有獨特的粘彈雙模特性（即兼?zhèn)湔承院蛷椥裕谖锢韨鞲蓄I(lǐng)域展現(xiàn)出良好的界面適應(yīng)性[2I-23]。本研究結(jié)合這兩種材料的特點，開發(fā)了CNT-Putty復(fù)合材料，并通過高精度絲網(wǎng)印刷工藝將其集成于橡膠手套表面，制備了一種可穿戴式手套傳感器。本傳感器能夠與PalmSens便攜式電化學(xué)工作站兼容，組成一套可穿戴檢測系統(tǒng)。在現(xiàn)場檢測非侵入性體液中的UA時，此系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的適用性和檢測性能。考慮到實際應(yīng)用中汗液的采集可能受到限制（如低溫環(huán)境、久坐人群或皮膚病患者）9]，本研究開發(fā)了多體液UA檢測方案（汗液、唾液和尿液），以提高檢測方法的普適性。本研究開發(fā)的基于CNT-Putty的手套傳感器為UA的精準(zhǔn)監(jiān)測和健康管理提供了新的技術(shù)方案。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

XL-30掃描電子顯微鏡（荷蘭Philips公司）；CHI660E電化學(xué)工作站（上海辰華儀器有限公司）；PalmSens4便攜式電化學(xué)工作站（荷蘭PalmSens BV公司），由PStouch應(yīng)用程序采集數(shù)據(jù)；商用手動絲網(wǎng)印刷機(jī)和絲網(wǎng)印刷模版（銀輝絲網(wǎng)印刷技術(shù)公司）；SynergyH1全波長酶標(biāo)儀（安捷倫科技有限公司），所有光學(xué)檢測均在（ 25±0.5 ） °C 恒溫和 |510nm 波長條件下進(jìn)行。

羧基化多壁碳納米管（純度 99% ，中國深圳穗衡科技公司）；硼酸（分析純）、二甲基硅油-500（優(yōu)級純）和正丁醇（分析純）（北京百靈威科技有限公司）；UA標(biāo)準(zhǔn)品（分析純，上海阿拉丁公司）。UA檢測試劑盒（南京建成生物有限公司）；LOCTITEEDAG479SS Eamp;C銀墨（德國Henkel公司）；JELCONCH-8碳墨（日本Jujo公司）。使用一次性丁腈手套（艾邁柯思貿(mào)易有限公司）作為手套傳感器基底。

1.2 實驗方法

1.2.1CNT-Putty復(fù)合漿料的合成

CNT經(jīng)超聲處理分散于氯仿中，制成 10mg/mL 均勻分散液。制備 300mg/mL 硼酸溶液（溶劑為硅油），室溫下攪拌，形成乳白色懸濁液。將懸濁液在 190^qC 下持續(xù)攪拌1h，冷卻至室溫，獲得具有粘彈性基質(zhì)的Putty。按照質(zhì)量比1：4將Putty與CNT分散液混合，通過交替攪拌和超聲處理，確保混合充分。混合物在 45°C 恒溫攪拌6h，形成黑色黏稠膏狀物，將其置于通風(fēng)櫥中室溫干燥 12h ，最終獲得CNT-Putty復(fù)合材料。為了適配絲網(wǎng)印刷工藝，將 1g 復(fù)合材料與 7mL 正丁醇溶劑混合，超聲均質(zhì)化處理 30min ，制得適于印刷的CNT-Putty復(fù)合漿料（制備流程見圖1）。

1. 2.2 柔性手套傳感器的構(gòu)建

柔性手套傳感器采用三電極體系：工作電極和對電極均使用CNT-Putty材料，參比電極采用Ag材料。利用AutoCAD軟件設(shè)計電極圖案，工作電極為直徑 3mm 的圓形結(jié)構(gòu)，對電極和參比電極為同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)（內(nèi)徑 2.5mm ，外徑 3.5mm ）。采用高精度絲網(wǎng)印刷設(shè)備將預(yù)先設(shè)計的電極圖案轉(zhuǎn)移到彈性手套的基材表面。印刷完成后，將手套置于 40% 烘箱中固化 30min ，確保電極與基底之間牢固結(jié)合。

1. 2.3 非侵入體液中的UA檢測

采集健康受試者（來自本實驗室的志愿者）在3種飲食狀態(tài)（空腹、低嘌呤飲食及高嘌呤飲食2h 后）下的多種體液樣本，進(jìn)行UA檢測。在采集汗液樣本前，先以酒精棉清潔受試者皮膚，隨后通過騎行運動誘導(dǎo)出汗并進(jìn)行汗液收集；采集唾液樣本時，受試者需先漱口，唾液樣本用磷酸鹽緩沖溶液（PBS， pH7.0? 稀釋5倍后進(jìn)行檢測；尿液樣本采用上述緩沖液稀釋60倍后進(jìn)行檢測。3種非侵入性體液樣本均在 -20°C 條件下冷藏保存。采用手套傳感器對3種體液中的UA進(jìn)行定量分析，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)添加實驗，同時以商品化UA檢測試劑盒（南京建成生物公司）作為參照方法。所有數(shù)據(jù)均為3次獨立測量的平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與討論

2.1 可穿戴手套傳感器的設(shè)計

采用CNT-Putty復(fù)合材料構(gòu)建柔性可穿戴手套式傳感器的流程見圖2，此集成化檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)非侵入性體液樣本（汗液、唾液及尿液）中UA的即時檢測。傳感系統(tǒng)包含兩個核心模塊：具有電化學(xué)傳感功能的柔性手套傳感器（圖2A和2B）以及配套的便攜式工作站PalmSens（圖2C和2D）。手套傳感器采用三電極體系，其中，工作電極和對電極均為CNT-Putty電極，參比電極為 Ag 電極。實際檢測時，將采集的非侵入性體液放置在培養(yǎng)血中，將制備的手套傳感器距離食指指尖約 2cm 的印刷電極部位直接接觸體液以進(jìn)行UA檢測（圖2B）。各電極通過 16mm 的銀導(dǎo)線與PalmSens電化學(xué)工作站連接，并在導(dǎo)線接口處精心設(shè)計了硅膠固定環(huán)，確保電路連接的可靠性（圖2C）。采用差分脈沖伏安法（DPV）對非侵入性體液的UA濃度進(jìn)行檢測，通過移動端智能手機(jī)的PStouch應(yīng)用程序，能夠?qū)崟r解析DPV特征峰電流強度，進(jìn)而實現(xiàn)3種體液中UA濃度的定量分析（圖2D）。

2.2 可穿戴手套傳感器的優(yōu)化與表征

CNT-Putty復(fù)合材料由CNT與彈性基體Putty混合而成，具有卓越的柔韌性和導(dǎo)電性能。為實現(xiàn)體液中微量UA的高靈敏檢測，本研究優(yōu)化了CNT與Putty的質(zhì)量比。在保證絲網(wǎng)印刷工藝適用性的前提下，固定Putty的質(zhì)量，梯度增加CNT質(zhì)量至Putty質(zhì)量的3＼～6倍，制備了系列復(fù)合漿料。采用循環(huán)伏安（CV）法在含 0.1mol/LKCl 的 5mmol/LK₃[Fe（CN）₆] 溶液中進(jìn)行測試，結(jié)果表明，當(dāng)CNT與Putty的質(zhì)量比為4：1時，電極具有最小氧化還原峰電位差和最大電流響應(yīng)信號（圖3A）。對比實驗結(jié)果（圖3B）顯示，在此條件下制備的電極相較于商業(yè)碳墨制備的絲網(wǎng)印刷電極（SPE），在氧化還原峰電位差和電化學(xué)響應(yīng)強度方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢（圖3B）。

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對制備的CNT-Putty復(fù)合材料的微觀形貌進(jìn)行表征。由SEM圖像（圖4A）可見，CNT-Putty電極表面均勻覆蓋著CNT，這種高比表面積的納米結(jié)構(gòu)顯著增強了電荷傳輸效率。Putty材料作為粘結(jié)劑有效提升了電極的機(jī)械強度，經(jīng)拉伸處理后，電極表面形貌無明顯變化（圖4B），證實其具有優(yōu)異的抗形變能力。CNT-Putty斷面的 SEM圖像顯示功能層厚度約 38μm （圖4C），為傳感器檢測性能提供了結(jié)構(gòu)保障。

采用三電極手套電化學(xué)傳感器，通過DPV技術(shù)檢測不同濃度的UA，結(jié)果見圖 5A 。UA的電化學(xué)特征峰電位穩(wěn)定在0.47V處，其峰電流強度與UA濃度在 5～200μmol/L 范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，（20 y=0.040x+0.0694 （ R²=0.9992 ），檢出限（S/N=3）低至 0.86μmol/L ，靈敏度為 0.040μA?L/（μmol?cm²） （圖5A和5B）。上述結(jié)果表明，制備的三電極手套電化學(xué)傳感器顯示出良好的電化學(xué)性能，可滿足不同體液中UA的即時檢測需求[24]。

通過連續(xù)掃描DPV曲線評估了基于CNT-Putty電極的手套傳感器的穩(wěn)定性。對 60μmol/L UA溶液進(jìn)行連續(xù)10次DPV掃描測試，傳感器的響應(yīng)電流變化 lt;±7% （圖6A），表明此傳感器具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。采用10根獨立制備的CNT-Putty電極組裝10個手套傳感器，用于檢測 60μmol/L UA溶液，響應(yīng)電流的偏差 lt;±8% ，表明此傳感器具有良好的制備重現(xiàn)性。為考察此傳感器在復(fù)雜使用場景下的機(jī)械穩(wěn)定性，在 0～0.24% 應(yīng)變范圍內(nèi)采用機(jī)械彎曲實驗?zāi)M實際穿戴形變，在不同曲率下的電流信號變化 lt;6% （圖6B），表明此傳感器具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。

考察了傳感器的選擇性。如圖7A所示，體液中常見的多巴胺在 0.36V 處的特征峰與UA特征峰無明顯重疊（圖7A），因此不影響UA的檢測。如圖7B所示，其它常見干擾物對手套傳感器檢測UA無顯著影響。此傳感器的特異性識別能力使其用于復(fù)雜的體液基質(zhì)中的UA檢測具有顯著優(yōu)勢，為個性化醫(yī)療檢測提供了新的技術(shù)方案。

2.3 可穿戴手套傳感器的非侵入性體液中的UA監(jiān)測

痛風(fēng)是全球發(fā)病率最高的炎性關(guān)節(jié)疾病，其病理基礎(chǔ)與高尿酸血癥密切相關(guān)，患者體液的UA濃度常持續(xù)高出正常的生理濃度范圍。過量攝入高嘌呤食物和酒精等會導(dǎo)致體內(nèi)UA水平升高，長期高濃度UA不僅會引發(fā)關(guān)節(jié)的急性炎性反應(yīng)，導(dǎo)致痛風(fēng)發(fā)作，還與心血管病變、腎功能損傷及代謝綜合征等并發(fā)癥顯著相關(guān)。因此，動態(tài)監(jiān)測體液的UA濃度對精準(zhǔn)實施降尿酸治療、預(yù)防急性痛風(fēng)發(fā)作及制定個性化

飲食方案具有重要意義。

為驗證制備的可穿戴手套式傳感器對實際體液的檢測能力，開展了受控的嘌呤攝入實驗。健康男性志愿者分別在隔夜空腹、常規(guī)飲食及高嘌呤飲食（如蛤蜊）后，采用此傳感器檢測其汗液中UA的濃度水平（圖8A）。實驗結(jié)果表明，與空腹?fàn)顟B(tài)相比，常規(guī)飲食及高嘌呤飲食模式下汗液中的UA水平均顯著提高。特別是攝入蛤蜊等高嘌呤食物后，汗液中UA濃度呈現(xiàn)明顯的劑量依賴性正相關(guān)關(guān)系（圖8B）。此

傳感器的檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)試劑盒測量值的相對誤差低于 10% ，表明此傳感器在檢測實際汗液樣品中的UA時具有可靠性（圖8B）。

已有研究證實唾液中的UA濃度水平可作為有效的代謝監(jiān)測指標(biāo)[25]。本研究通過相同的飲食控制實驗發(fā)現(xiàn)，健康受試者唾液中的UA濃度在餐后呈現(xiàn)顯著的上升趨勢，并且高嘌呤食物的攝入量與唾液中的UA濃度水平同樣存在統(tǒng)計學(xué)上的正相關(guān)關(guān)系（圖8C）。此傳感器的檢測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)試劑盒的檢測結(jié)果高度一致，進(jìn)一步驗證了此傳感器的分析準(zhǔn)確性。

健康人尿液中UA的生理濃度通常在 1.5～4.5mmol/L 之間。本研究系統(tǒng)收集了不同飲食干預(yù)條件（空腹、常規(guī)、攝入蛤蜊（500、1000和 1500g） ）下的尿液樣本，采用此傳感器檢測其中的UA濃度。實驗結(jié)果顯示，與空腹飲食條件相比，正常飲食和富嘌呤飲食均會顯著提升尿液中UA濃度水平，且UA濃度水平與飲食中嘌呤的攝入量呈明顯的劑量依賴性正相關(guān)關(guān)系（圖8D）。此傳感器的檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)試劑盒檢測結(jié)果高度吻合，證實了此傳感器在尿液中的UA檢測中的可靠性。

上述研究結(jié)果表明，3種非侵入性體液中UA濃度的變化可有效地反映機(jī)體的嘌呤攝入情況和代謝狀態(tài)。可穿戴手套傳感器憑借其無創(chuàng)的檢測方式，為臨床飲食干預(yù)指導(dǎo)、高尿酸血癥早期診斷及痛風(fēng)風(fēng)險預(yù)警提供了創(chuàng)新性的技術(shù)手段。

3 結(jié)論

提出了一種基于絲網(wǎng)印刷技術(shù)的柔性可穿戴傳感系統(tǒng)構(gòu)建策略，通過將CNT-Putty復(fù)合材料精準(zhǔn)印刷在手套基底上，成功開發(fā)出適配多場景檢測需求的高靈敏度手套傳感器。本傳感器使用配方簡單的復(fù)合漿料，其合成工藝可控，確保了材料的電化學(xué)性能穩(wěn)定。CV實驗結(jié)果表明，CNT-Putty的電荷傳輸效率顯著高于市售絲網(wǎng)印刷電極。可穿戴手套傳感系統(tǒng)由基于CNT-Putty的柔性傳感器和便攜式電化學(xué)工作站（PalmSens）組成，與傳統(tǒng)的檢測設(shè)備相比，具有便攜、操作簡便和響應(yīng)迅速等優(yōu)勢。此手套傳感器可用于精準(zhǔn)檢測不同飲食干預(yù)下多種非侵入性體液（汗液、唾液和尿液）中的UA濃度，在個性化健康監(jiān)測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Fabrication of Carbon Nanotube-Polysiloxane Glove-Type Wearable Sensor and Its Application in Non-Invasive Uric Acid Detection

CAO Meng-Zhu， CHEN Zhe， BO Xiang-Jie*， ZHOU Ming* （Laboratory of Nanobiosensing and Nanobioanalysis at Universities of Jilin Province， Department of Chemistry. Northeast Normal University， Changchun ， China）

AbstractNon-invasive body fluids contain a wealth of health-related biomarkers.Monitoring these biomarkers can provide valuable information for disease diagnosis，health management，drug abuse screening，and sports performance optimization. In this work，a carbon nanotube-polysiloxane （CNT-Putty）-based wearable electrochemical sensor was constructed on glove by screen-printing method.This electrode material had not only a simple composition，but also a relatively simple synthesis processIn addition，the electrode exhibited superior electrochemical performance compared to commercial screen-printed electrodes. When applied to uric acid （UA）detection in three diffrent body fluids，the CNT-Putty working electrode demonstrated excellent linearity，selectivity，and alowdetection limit.The wearable glove sensor could successully monitor UA levels in bodyfluids under varying dietary conditions，indicating its potential for personalized UA monitoring and management.

KeywordsGlove sensor; Uric acid; Non-invasive body fluids; Carbon nanotube