用于液體分析物中葡萄糖濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的3D打印微流控芯片

來源：微流控

將宏系統(tǒng)與微系統(tǒng)連接起來進(jìn)行在線檢測(cè)在不同的生物技術(shù)過程中非常重要,，因?yàn)槠淇梢栽谛〕叨壬蠈?shí)現(xiàn)過程參數(shù)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè),，并最終改進(jìn)過程控制和優(yōu)化方案,。此外，它還允許對(duì)樣本進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),，而無需人工采樣和分析,，從而提高生產(chǎn)效率和成本效益。

近期,，來自塞爾維亞諾維薩德大學(xué)（University of Novi Sad）的研究人員提出了一種用于液體分析物中葡萄糖傳感的3D打印微流控（MF）芯片,。該微流控芯片由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制備而成，并且集成了利用立體光刻（SLA）工藝制造的蛇紋微混合器以及用于商用DropSens電極的USB式集成的插槽,。該微流控芯片顯示出與生物反應(yīng)器等宏系統(tǒng)連接的巨大潛力,，可以直接在線監(jiān)測(cè)液體樣品中的質(zhì)量參數(shù)。相關(guān)研究成果以“3D-Printed Microfluidic Chip for Real-Time Glucose Monitoring in Liquid Analytes”為題發(fā)表在Micromachines期刊上,。

圖1 利用3D打印微流控（MF）芯片對(duì)液體分析物中葡萄糖進(jìn)行檢測(cè)的概念示意圖

圖2 （a）微流控芯片的多層結(jié)構(gòu),；（b）利用立體光刻（SLA）工藝打印的微流控通道的三維剖面；（c）集成DropSens傳感器的微流控芯片

在集成DropSens傳感器的微流控芯片中,，隨著微流體的流動(dòng),，葡萄糖分子在化學(xué)反應(yīng)中被葡萄糖氧化酶（GOx）氧化。在一定時(shí)間內(nèi)與目標(biāo)介質(zhì)完全混合后,，反應(yīng)的副產(chǎn)物過氧化氫（H₂O₂）被氧化,，在一定電壓下產(chǎn)生電化學(xué)信號(hào)。該研究中使用的絲網(wǎng)印刷工藝制造的三電極系統(tǒng)集成在微流控芯片內(nèi),，采用金（Au）工作/對(duì)電極和銀/氯化銀（Ag/AgCl）參比電極,，并且在0.9 V電壓左右具有H₂O₂氧化峰。利用循環(huán)伏安法（CV）進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè),，結(jié)果如圖3所示,。可以看出,，H₂O₂的生成量隨著葡萄糖濃度的增加而增加,，從而導(dǎo)致輸出電流呈指數(shù)增長。

圖3 微流控芯片中葡萄糖的電化學(xué)檢測(cè)結(jié)果

圖4 （a）細(xì)胞培養(yǎng)基中不同濃度葡萄糖的計(jì)時(shí)電流檢測(cè)結(jié)果,，插圖為用醋酸和酶稀釋的培養(yǎng)基中葡萄糖檢測(cè)的校準(zhǔn)曲線；（b）在微流控芯片進(jìn)樣處的細(xì)胞培養(yǎng)基中葡萄糖濃度檢測(cè)的校準(zhǔn)曲線

總體而言,，本項(xiàng)研究所提出的3D打印微流控芯片在不同的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中有幾個(gè)潛在的優(yōu)點(diǎn),。首先，血液中的葡萄糖濃度是監(jiān)測(cè)血糖水平最廣泛使用的指標(biāo),，正常的血糖水平在0.7 mg/mL到1 mg/mL之間,，高于這個(gè)水平可能表明患有糖尿病或其他潛在的疾病,。唾液中也含有葡萄糖,，但與血液相比,，其濃度要低得多,，通常在5 × 10⁻⁴ mg/mL ~ 10⁻3 mg/mL之間。唾液中的葡萄糖濃度不僅用于監(jiān)測(cè)血糖水平的變化,，也用于一些診斷測(cè)試。此外,，尿中葡萄糖的濃度隨血糖水平的變化而變化,，根據(jù)血糖水平的不同,，其范圍為0 ~ 0.20 mg/mL或更高。該研究中所提出的微流控芯片的檢測(cè)范圍可以覆蓋以上濃度范圍,，因此,，它可以用于這些液體樣品中葡萄糖濃度的檢測(cè),。

此外,，由于該微流控芯片的流體系統(tǒng)的設(shè)計(jì),，葡萄糖氧化酶不需要與固體介質(zhì)一起固定在基于金電極的傳感器表面上，這一點(diǎn)是至關(guān)重要的,，因?yàn)槠淇梢悦獬�一段時(shí)間操作后出現(xiàn)的沖洗問題,。其次，該研究所提出的微流控芯片可以自動(dòng)獲取樣本,，而無需人工采樣,，并且可以對(duì)樣本進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),。此外,，作為一種在線傳感器，該研究所提出的微流控芯片可以監(jiān)測(cè)細(xì)胞培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì),，同時(shí)防止采樣過程中培養(yǎng)基的潛在污染,。最后，該研究所提出的微流控芯片可以根據(jù)pH值調(diào)整反應(yīng)過程,，因此可以應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)過程中葡萄糖和pH值隨時(shí)間變化的在線檢測(cè)中,。

綜上所述，該研究提出了一種新型的3D打印微流控芯片,，該芯片集成了蛇紋微混合器和電化學(xué)傳感器,，用于檢測(cè)液體分析物中葡萄糖濃度。該芯片具有樣品和試劑用量少,、靈敏度高,、線性響應(yīng)好等特點(diǎn)。因此,，該3D打印微流控芯片顯示了在生物反應(yīng)器等宏系統(tǒng)中直接在線監(jiān)測(cè)葡萄糖濃度和pH值隨時(shí)間的變化的巨大潛力,。所提出的平臺(tái)在利用微系統(tǒng)監(jiān)測(cè)宏系統(tǒng)（如生物反應(yīng)器）相關(guān)參數(shù)的過程中具有很高的應(yīng)用潛力,。

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原文鏈接：https://doi.org/10.3390/mi14030503