用于液體分析物中葡萄糖濃度實時監(jiān)測的3D打印微流控芯片

來源：微流控

將宏系統(tǒng)與微系統(tǒng)連接起來進行在線檢測在不同的生物技術過程中非常重要，因為其可以在小尺度上實現(xiàn)過程參數(shù)的精準監(jiān)測，并最終改進過程控制和優(yōu)化方案。此外，它還允許對樣本進行連續(xù)監(jiān)測，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（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器等宏系統(tǒng)連接的巨大潛力，可以直接在線監(jiān)測液體樣品中的質量參數(shù)。相關研究成果以“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）芯片對液體分析物中葡萄糖進行檢測的概念示意圖

圖2 （a）微流控芯片的多層結構；（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，葡萄糖分子在化學反應中被葡萄糖氧化酶（GOx）氧化。在一定時間內(nèi)與目標介質完全混合后，反應的副產(chǎn)物過氧化氫（H₂O₂）被氧化，在一定電壓下產(chǎn)生電化學信號。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）進行電化學檢測，結果如圖3所示�？梢钥闯觯琀₂O₂的生成量隨著葡萄糖濃度的增加而增加，從而導致輸出電流呈指數(shù)增長。

圖3 微流控芯片中葡萄糖的電化學檢測結果

圖4 （a）細胞培養(yǎng)基中不同濃度葡萄糖的計時電流檢測結果，插圖為用醋酸和酶稀釋的培養(yǎng)基中葡萄糖檢測的校準曲線；（b）在微流控芯片進樣處的細胞培養(yǎng)基中葡萄糖濃度檢測的校準曲線

總體而言，本項研究所提出的3D打印微流控芯片在不同的生物醫(yī)學應用中有幾個潛在的優(yōu)點。首先，血液中的葡萄糖濃度是監(jiān)測血糖水平最廣泛使用的指標，正常的血糖水平在0.7 mg/mL到1 mg/mL之間，高于這個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)測血糖水平的變化，也用于一些診斷測試。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。

此外，由于該微流控芯片的流體系統(tǒng)的設計，葡萄糖氧化酶不需要與固體介質一起固定在基于金電極的傳感器表面上，這一點是至關重要的，因為其可以免除一段時間操作后出現(xiàn)的沖洗問題。其次，該研究所提出的微流控芯片可以自動獲取樣本，而無需人工采樣，并且可以對樣本進行實時檢測。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)測細胞培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質，同時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)整反應過程，因此可以應用于細胞培養(yǎng)過程中葡萄糖和pH值隨時間變化的在線檢測中。

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傳感器，用于檢測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、線性響應好等特點。因此，該3D打印微流控芯片顯示了在生物反應器等宏系統(tǒng)中直接在線監(jiān)測葡萄糖濃度和pH值隨時間的變化的巨大潛力。所提出的平臺在利用微系統(tǒng)監(jiān)測宏系統(tǒng)（如生物反應器）相關參數(shù)的過程中具有很高的應用潛力。

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