深圳大学高等研究院闫昇团队ACS AMI | 用于汗液葡萄糖检测的具有可擦除液态金属拉曼热点的可穿戴微流控芯片

英文原题： Self-Adhesive, Biocompatible, Wearable Microfluidics with Erasable Liquid Metal Plasmonic Hotspots for Glucose Detection in Sweat

通讯作者： 闫昇，深圳大学 高等研究院

作者： Qingwei Yuan (袁庆伟), Hui Fang (方晖 ), Xiuru Wu (吴秀如), Jialin Wu (吴佳霖), Xie Luo (罗燮), Ran Peng (彭冉), Shanshan Xu (许杉杉), Sheng Yan* (闫昇)

汗液是一种典型的非侵入性代谢物，通过收集与检测，可以在无创的情况下获得相关的临床信息，以用于健康研究。葡萄糖是汗液中的重要成分之一，与血糖水平密切相关，其浓度的变化可以反映人体的健康状况，尤其对于糖尿病的检测与治疗有重要的意义。 因此，汗液是血液样本最有希望的替代品，用于无创方式评估体内葡萄糖水平。因此，包含无创采集、存储、检测的可穿戴葡萄糖检测设备是现在所亟需关注的问题。

图1. 微流控芯片示意图和横截面放大图

近日， 深圳大学闫昇研究员在 ACS Applied Materials & Interfaces 上发表了用于汗液葡萄糖检测的具有可擦除液态金属拉曼热点的粘性微流控芯片研究。在这项工作中，作者制备出了一种可以用于精确检测汗液中的葡萄糖浓度变化的可穿戴微流控芯片，该芯片可以与身体表皮很好的贴附，进而达到收集、输送、储存和检测汗液的目的。汗液流经管道中可擦除的液态金属拉曼热点的位置时可以通过设备进行拉曼信号强度检测，以获取汗液中葡萄糖含量的信息，而液态金属拉曼热点的可擦除-再生的性质使得芯片可以重复利用，大大降低制备成本。 

文章中微流控芯片制备的亮点主要体现在：（1）无需洁净室和光刻即可轻松制造（2）无需等离子体键合方法即可生成整个芯片，避免液体泄漏问题（3）生物流体通过毛细作用简单输送，无需外部泵源（4）微腔能够存储等离子体传感器（5）及时生成 SERS 热点，避免氧化问题（6）可擦除-再生 SERS 热点，用于多次测量葡萄糖变化。

图1. 微流控芯片设计（a）微流控芯片示意图和芯片横截面放大图 （b）改性PDMS（PEIE-PDMS）的制造方法说明 （c）直写方法制备通道的示意图 （d）Ga@Ag 等离子体粒子的修饰、擦除和再生循环

（1） 自粘性材料的制备

作者使用一种简单的方法来制备具有自粘性、生物兼容性的可穿戴弹性体。只需要向PDMS（10:1 g）中混入微量的PEIE即可（PEIE-PDMS）。材料所具有的弹性、粘附力、透光度等性质可以通过调整加入PEIE的含量（如10µL, 20µL, 30µL, 40µL）来获得具有不同性质特点的弹性体，进而选择最合适的基底材料。并对材料的力学性能、透光度、生物毒性等属性进行表征。

图2. PEIE-PDMS的表征 （a）不同含量PEIE的PEIE-PDMS弹性体的应力应变曲线（b, c）不同含量PEIE的PEIE-PDMS弹性体对人体皮肤的粘附力比较 （d, e）所使用的PEIE-PDMS 在不同材料表面的附着力 （f）不同环境下细胞培养24 h的活性变化 （g） PEIE含量为0 μL、10 μL、20 μL、30 μL和40 μL的PEIE-PDMS弹性体在230 μm厚度下的透光度 （h） 不同厚度PEIE-PDMS弹性体的透光度    （i） PDMS添加不同含量PEIE的弹性体的性能总结

（2）直写的方式制备微流控芯片的管道

微流控芯片管道的制备方式多种多样，但是常用方式所需要的实验设备要求相对而言都比较高且操作复杂。本实验采取了一种更为简便的直写技术制备微流控芯片管道，主要包括三个步骤：使用直写装置写出用作管道模具的Ga线、微流控芯片的封装、管道的冲洗。如图3是制备过程及结构应用展示。

图3. 直写方式制备微通道（a）直写设备实物图（b）不同针头内径获得的不同宽度的Ga线（c）打印线宽与针头内径之间的关系（d）不同冲洗流速下管道内Ga的残留情况（e）通过直写和冲洗获得螺旋通道（f）将平面结构重构为三维空间管道的示意图（g）包含Ga 液滴的微流控芯片通道展示

（3）可擦除拉曼热点用于汗液葡萄糖检测

SERS的使用可以很好的解决微量元素的检测，但是现阶段拉曼基底的制备方法大多比较复杂，成本高昂。在这里我们提出一种具有可擦除拉曼热点的LM拉曼基底的制备方案。基底的制备是经过两个步骤完成的，首先是利用置换反应在Ga表面生成AgNPs，其次是对Ga表面的AgNPs 进行修饰。此时通入汗液，便可以达到检测其中葡萄糖浓度的目的。当再向其中通入碱性溶液时，便可以将表面的AgNPs“清洗”掉，达到擦除的效果，重复上述制备操作便可以重新“再生”出颗粒，以再次用于进行检测。

图4. SERS 测量汗液中的葡萄糖（a）Ga液滴表面AgNPs的SEM-EDS分析（b）1 μg/L 葡萄糖溶液在不同修饰条件下的拉曼信号（c）经过4-MBPA修饰的Ga@Ag对不同浓度葡萄糖的检测结果（d）LM拉曼基底可擦除-再生的性能展示（e）志愿者手腕上贴附着微流控芯片（f）志愿者摄入葡萄糖前后汗液中葡萄糖拉曼信号的变化

研究团队开发了一种具有自粘性的可穿戴式微流控装置，利用SERS技术以无创方式检测人体汗液中葡萄糖浓度的变化。基于液态金属基底的可擦除-再生液态拉曼热点使得该芯片可被重复使用，具有巨大的应用潜力。并且所有关键部件（自粘性弹性体、直写装置和可擦除液态金属拉曼热点）都是通过简单、低成本的方法获得的。除了葡萄糖检测之外，在人体汗液中其他生物标志物的无创实时监测方面，这种微流控芯片也有着巨大潜力。

相关论文发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 上，深圳大学硕士研究生袁庆伟与深圳大学微纳光电子学研究院方晖教授为文章共同第一作者，深圳大学高等研究院闫昇研究员为通讯作者。

闫昇，博导，深圳大学高等研究院研究员，日本振兴工业会（JSPS fellowship，2018）和澳大利亚教育部（Endeavour Fellowship,2018）获得者，入选深圳市高层次人才（2020年）和广东省珠江青年人才（2022年）。在 Nature Communications, Advanced Functional Materials, Advanced Science, Small, Journal of Nanobiotechnology, Lab on a Chip, Analytical Chemistry 等高水平期刊上发表70余篇文章，引用3600余次，H-index为30。作为项目负责人主持国家、省级、市级项目8项。申请国内专利6项，发明专利2项，实用新型4项。入选Top2%全球顶级科学家，担任 Biosensors、Micromachines、Frontiers in Medical Technology、Exploration、Cyborg and Bionic systems 等期刊的客座编辑及编委，担任50余个国际学术期刊的审稿人。研究领域主要包括微流控细胞分选和操控，基于液态金属的3D微流控制备以及微流控-拉曼基底制备与检测。

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ACS Appl. Mater. Interfaces.  2023, ASAP

Publication Date: October 30, 2023

https://doi.org/10.1021/acsami.3c11746

Copyright © 2023 American Chemical Society

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