摘要
环境污染的加剧与老龄化人口的持续增长，使得健康问题愈发受到人们的重视。鉴于此，疾病的早期预防和诊断变得尤为关键。要实现有效的预防和诊断，依赖于高特异性和高灵敏度的疾病相关标志物的检测。糖尿病作为一种由高血糖浓度引发的代谢性疾病，其病情评估常常依赖于血液中葡萄糖(Glu)浓度的监测。当血糖水平超出正常范围时，汗液中的Glu浓度亦会相应上升，这可能会引发一系列严重的并发症，例如失明、体重减轻、肾脏疾病、神经系统疾病、心血管疾病以及糖尿病乳酸性酸中毒等。乳酸(Lac)作为一种关键的代谢物，在临床医学中具有重要的诊断价值。当有氧呼吸无法满足机体的能量需求时，无氧代谢便会启动，导致组织中Lac的浓度上升。因此，Lac水平常被用于评估运动训练的效果和健康状况。此外，它还可作为败血症、急性心脏疾病以及糖尿病乳酸性酸中毒等多种疾病的生化指标。鉴于Glu和Lac在汗液与血液之间的含量存在一定的相关性，利用可穿戴传感器进行无创实时监测汗液中的Glu和Lac水平，有望成为一种替代传统有创血液检测的新方法，为糖尿病等疾病的诊断与管理提供更为便捷和有效的手段。 金属有机框架(MOFs)作为一种有潜力的仿生酶生物传感材料，具有较大的比表面积、可调孔、有序的晶体结构。但MOFs较差的导电性限制了其直接在生物传感过程中的应用，因此，通常将MOFs与碳纳米管或金属颗粒等其他活性材料结合以提高其电化学性能。本文基于不同MOFs材料对汗液Glu和Lac的催化氧化性能，设计、集成了成本低、灵敏度高、检测限低、响应速度快的无酶柔性传感器，用于监测运动过程中的汗液。本文主要研究内容如下： (1)本课题首先合成了一种由2，3，6，7，10，11-六羟基三亚苯(HHTP)作为配体与镍(Ni)作为金属中心，采用一锅法制备而成的多孔二维催化MOF(Ni-HHTP)。将Ni-HHTP配制成的溶液直接滴涂在通过喷蜡打印技术和丝网印刷技术结合制备的便携式纸基电极表面，通过电化学表征测试和对Glu的响应测试，证明所制备Glu无酶传感器导电性较高、对Glu具有明显的催化氧化性能。本课题进一步评估了Glu无酶传感器的选择性和验证了Glu无酶传感器能够精确测试含有复杂成分的汗液样本，并展现出较理想的灵敏度（5573.21μAμM-1cm-2）和较低的检测限(1.30μM)。 (2)为有效预防糖尿病患者发生乳酸性酸中毒等严重并发症，本课题设计了联合监测汗液中Lac浓度的无酶传感器。我们利用Cu-HHTP对乳酸的特异性催化分解性能，以及多壁碳纳米管(MWCNTs)在提高电极导电性方面的优势，将这两种功能材料逐层修饰在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性基底上。结合丝网印刷技术，本课题成功制备了一种基于MWCNTs/Cu-HHTP的柔性无酶汗液乳酸传感器。首先本课题对Lac无酶传感器进行电化学性能表征测试以证明MWCNTs/Cu-HHTP电极的导电性。然后优化了MWCNTs、Cu-HHTP的修饰体积量和氯化钠(NaCl)浓度。最后利用电位法测试了所制备传感器随着Lac浓度变化的电位响应，确定其可应用于实际汗液中Lac的检测，且具有优异的灵敏度(118.55mVdecade-1、47.98mVdecade-1)和较低检测限(1.09μM)。 (3)在研究内容(1)和(2)的基础上，本课题利用丝网印刷技术将电极图案化印刷在PET柔性基底上，进而设计出一种四电极阵列。该电极阵列包括Glu工作电极、Lac工作电极、用于Glu计时电流法测试的对电极以及Glu和Lac共用的Ag/AgCl参比电极。此外，本课题采用喷蜡打印技术构建了纸基微流控器件，借助纸张的毛细作用，确保无酶传感器能够实时检测到皮肤表面新鲜的汗液。通过上述步骤，本课题成功构建了一种用于监测运动过程中汗液Glu和Lac的柔性可穿戴无酶传感器。通过加标回收测试，分别可以看出基于PET基底的Glu和Lac无酶传感器在汗液样本测试中具有优异的灵敏度，并验证了柔性可穿戴无酶传感器在实际应用过程中的可行性。最后通过人体运动过程中的汗液监测实验，表明了本课题所制备的集成式柔性可穿戴无酶传感器有望成为运动健康监测、慢病（糖尿病）并发症监测的重要工具。
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