華科大NPG Asia Materials：基于ph響應的超潤濕表面的裸眼點護理測試平臺——對葡萄糖的無創檢測

【本文亮點】

一種ph反應的超潤濕表面被制造出來，并作為一種用于裸眼生物傳感的測試平臺。由于超親水性和超疏水性的顯著性轉換，基于接觸角的生物傳感方法對pH、尿素、葡萄糖檢測等進行了研究。特別是對葡萄糖的無創檢測可用于糖尿病診斷和運動監測。考慮到它的低成本、無工具、一次性和快速響應(在1秒內)，這一策略不僅提供了一個通用的點檢測試平臺，而且還擴展了生物激發的超濕系統的工業規模應用。

【引言】

從大自然中學習為構建智能和功能材料提供了令人興奮的策略。在自然界中，許多生物材料具有顯著的刺激反應表面潤濕性。例如，用氣態的空氣污染物處理的Pinus sylvestris的葉子的接觸角(CA)增加了。而甘藍型油菜在酸雨暴露后，其親水性較弱。刺激反應性材料，在功能上與自然表面的潤濕性相似，已被開發用于生物分離、藥物輸送系統、細胞診斷、生物傳感等。通過將刺激反應的材料與微觀結構或納米結構相結合，在過去的二十年實現了超疏水和超親水性能的智能切換。目前應用的超潤濕材料，一般都局限于工業領域，因為它們需要長期的操作過程，可能會增加外部力量破壞功能表面的可能性。為了應對這一挑戰，全世界正在研究復雜的結構、化學物質和材料。然而，一個簡單的替代方法是探索一個需要短期操作的簡單應用，并且不受表面的機械穩定性和耐久性的影響。

(POCT)是一種快速診斷測試方法，它滿足了世界衛生組織提出的標準。在POCT分析中，一直致力于快速定量檢測的發展。但大多數都不適合應用于廣泛的人群。數以億計的人在世界范圍內都有視力問題。因此，光學檢測方法，通常包括側流條和比色、熒光和化學發光策略，不適合色盲或色弱的人。電化學檢測方法需要外部設備，這增加了設備的復雜性和成本。便攜式血糖儀、ATP計量表、壓力表和智能手機等商用便攜式儀器增加了測試成本，使它們在農村和偏遠地區難以負擔。此外，患者可能會經歷疼痛和感染風險，如獲得性免疫缺陷綜合征(AIDS)、乙型肝炎、丙型肝炎和梅毒，使用侵入性血糖儀。此外，大多數報告的方法都集中在單一目標檢測上，這不能滿足復雜環境下多目標檢測的要求。因此，設計一個通用的、簡單的、低成本的POCT平臺來進行多目標檢測是可取的。由于CA可以簡單直觀地監測潤濕性表征，它可以由幾乎所有人來決定，不包括盲人，從而為高效的POCT設備的利用提供了一種有吸引力的可能性。

【成果簡介】

近日，華中科技大學 戴俊教授和夏帆教授（共同通訊作者）課題組在NPG Asia Materials發表題為“Naked-eye point-of-care testing platform based on a pH-responsive superwetting surface: toward the non-invasive detection of glucose”的文章。文章共同第一作者Zhong Feng Gao, Ei Ei Sann, 婁筱叮。研究人員展示了一種基于接觸角(CA)的裸眼點-護理測試平臺，它具有快速響應的超濕性，可以在超親水性和超疏水特性之間切換，用于檢測pH、尿素和葡萄糖定量的生物傳感。。為了控制表面潤濕性，這個ph反應的超潤濕表面由涂有有機硅烷(3-[2-氨基乙基胺基)乙基三甲氧基硅烷(AEPTMS)和辛基三甲氧基硅烷(OTMS)的氧化硅納米顆粒組成。它具有快速響應的超濕性，可以在超親水性和超疏水特性之間切換，用于定量的生物傳感。CA的液滴pH-responsive表面接近~ 0°pH值1和相反達到161.4°±6.2°pH值13。通過監測CA變化實現了葡萄糖的檢測。由于葡萄糖氧化酶催化反應所產生的葡萄糖酸導致溶液ph值下降，CA降低了葡萄糖的濃度，證明了從疏水到親水的人體樣本的CA減少表明了糖尿病的發生。盡管其他生物激發材料，例如納米孔和納米管，已經被開發用于葡萄糖檢測，但超潤濕表面提供了幾個特別的優勢。首先發現環境溫度和壓力對潤濕性幾乎沒有影響，這表明了該方法在所有國家的廣泛適用性。其次，液滴的顏色對CA沒有影響，從而為數以億計的潛在客戶提供了擴張的希望，尤其是那些色盲或色弱的客戶。此外，低成本、無儀器和一次性的生物傳感器提供了快速傳感響應(在1秒內)，避免了長期的操作。因此，超濕材料的機械穩定性和耐久性不是生物傳感應用的關鍵因素。研究結果對超潤濕性生物傳感器的設計和制造具有重要意義，克服了超濕材料在實際應用中使用壽命的限制，從而可能延長生物激發超濕系統的工業規模應用。

【全文解析】

圖1: 超疏水和超親水性的pH響應超濕表面性質的轉換工作原理和SEM

a.超疏水和超親水性的pH響應超濕表面性質的轉換工作原理。AEPTMS的百分比是10%的二氧化硅納米顆粒，尺寸為15,50，和200納米。CA的水滴在pH值下降到0°~ 1和增加到161.4°±6.2°pH值13；

b.SEM圖像的ph響應超潤濕表面。超潤濕表面的低倍率SEM圖像顯示了粗糙表面的一般形貌(左)。超潤濕表面的高倍率SEM圖像顯示出高度的粗糙度(右)

圖2:?酸性溶液中CA與濕潤時間及不同PH的關系

a）在酸性溶液中CA與濕潤時間的關系(pH 1)；

b.在堿性溶液（pH 13）存在下CA與潤濕時間的關系；

c.從pH 1到13的寬范圍的校準曲線，考察CA和pH之間的線性關系；

d CA和pH值從1到7；

e.具有不同pH值的液滴的潤濕狀態；

f潤濕狀態；

g.用pH 6溶液代替pH 3和pH 1溶液原位中和的對照實驗。誤差條表示三次重復的標準偏差。不同顏色的液滴的數碼照片和CA測量

圖3:ph反應超濕表面的尿素檢測示意圖。

a .尿素檢測的原理圖，基于u催化反應的OH。表面可以在洗滌和干燥后重新使用；

b.不同濃度尿素的敏感性試驗(100、200、400、600、800納米和1、10、100、200、400、600、800、1、2、3毫米)；

c .Linear CA和尿素濃度之間的關系從100納米到1μM；

d .在線性范圍內，尿素濃度不同的液滴的潤濕狀態；

e . CA變化的關系(CA = | CA CA0 |， CA和CA0分別為實驗組的CAs和空白對照組)和干擾劑(Na+、K+、抗壞血酸、葡萄糖、甘氨酸)。

圖4:ph反應超濕潤表面葡萄糖檢測圖。

a一種基于葡萄糖酸的葡萄糖檢測原理圖。表面可以在洗滌和干燥后重新使用；

b .不同濃度的葡萄糖(1、10、100、200、300、400、500、600、700、800 nM和1、10、50、100 M、500 M和1 mM)的敏感性試驗；

c . CA與葡萄糖濃度之間的線性關系，從1 nM到800 nM。d .在線性范圍內不同濃度的葡萄糖滴潤濕狀態；

e .在不同的葡萄糖濃度范圍內(從1 nM到800 nM)存在的理論和實驗CA。從響應曲線上得到了理論CA；

f。CA的變化之間的關系(?CA = | CA?CA0 |,CA和CA0 CAs實驗組和空白的控制,分別)和干擾劑(果糖、甘露糖、阿拉伯糖、半乳糖、木糖和葡萄糖)。

圖5:在ph反應超濕潤表面的實際環境中，葡萄糖的視覺定量檢測。

a侵入式葡萄糖檢測糖尿病患者血液標本來自9和9正常人表明CAs正常樣本的人超過100°,相應的疏水性,與患者diabeties下降到近50°,表明表面的親水性；

b非侵入性檢測9例糖尿病患者和6例正常人的唾液和尿液，說明CA可用于區分糖尿病患者和正常人。

圖6:在自行車運動前后的5名志愿者的前額、胸部和背部采集了一組用于無創血糖檢測的汗液標本。

從前額（B）、乳房（C）和背部（D）的汗液標本中的CAs的觀察隨每一個連續收集時間從前到循環后略有增加。測試液滴的體積為2μL。誤差條表示三次重復的標準偏差。

【總結與展望】

研究人員設計了一個快速的pH響應超潤濕表面，具有優異的超潤濕性，作為PCT平臺，用于肉眼測定pH、尿素和葡萄糖。該表面被證明是作為PH值的函數在超親水性和超疏水性之間切換。與商業血糖儀相比，所提出的POCT平臺在糖尿病患者樣品的測定中表現出較高的準確性。此外，無創性診斷糖尿病尿液和唾液。所開發的方法提供了一種非侵入性的手段，用于監測運動過程中葡萄糖水平的變化。基于CA的超潤濕POCT平臺具有快速、直觀、無需設備和低成本的優點。更重要的是，其性能幾乎不受水滴的溫度、高度和顏色的影響，使其適合于色盲或色弱的人，并擴展到數億人的適用范圍。對于自然啟發的超潤濕系統，這種快速響應的一次性POCT傳感器可以克服超潤濕材料的機械穩定性和耐久性的局限性，從而延長生物啟發的超潤濕系統的工業規模應用。雖然在該系統中收集的實際結果是初步的，未來的研究將致力于構建詳細的身體生物傳感器，將超潤濕表面與光電特性、數據處理和無線傳輸相結合，以監測更多的臨床相關汗液。代謝物。我們預計，這一概念可以擴展到運動績效評估以及一般醫療保健領域的其他應用。

文獻鏈接：Naked-eye point-of-care testing platform based on a pH-responsive superwetting surface: toward the non-invasive detection of glucose(NPG Asia Materials, 2018, DOI：10.1038/s41427-018-0024-7）

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