新型片上自驱动双通道光学微传感器：助力慢性肾脏病全血监测

来自中国的研究人员研发出新型片上自驱动双通道光学微传感器监测全血钾和肌酐，助力 CKD 管理。

　　慢性肾脏病（CKD）是一种无法治愈且逐渐进展的疾病，发病率和死亡率不断上升，给全球健康带来沉重负担。预计到 2040 年，CKD 将成为全球第五大死因。肾小球滤过率（GFR）是分类和评估 CKD 的金标准，它是根据血清肌酐水平计算得出的。血钾水平也与 CKD 各阶段的死亡率密切相关。大多数 CKD 药物会导致肌酐和血钾异常，可能引发紧急情况。如果患者能够在家监测血钾和肌酐水平，及时指导用药和调整剂量，就能有效控制 CKD 的进展，避免因用药过量带来的恶性风险。

目前，临床用于测量血清或血浆样本中钾离子的设备包括离子色谱（IC）、火焰光度法、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-ES）或质谱法（ICP-MS）、离子选择性电极电位法（ISE）等。临床测定血清肌酐的方法一般有分光光度比色法和安培法。这些分析技术虽能满足临床实验室环境的某些诊断标准，但存在周转时间长、便携性差、成本高、需要专业人员操作、操作范围有限以及样本预处理要求严格等局限性。近年来，对及时诊断的需求促使各种快速检测方法不断发展。例如，使用微型离子选择性电极可快速检测血清钾；基于纸张的一次性传感器利用 pH 响应结合肌酐脱亚胺酶，突破传统限制，能精确测量尿肌酐；利用微流控技术开发的比色快速唾液钾离子传感器，通过声流改善样本混合，提高了直接检测效率。不过，这些及时诊断方法大多针对血清或体液，全血等复杂样本由于红细胞等成分的干扰，分析难度较大。微流控技术虽有望实现血液参数的直接测量，但现有方法要么泵集成复杂，要么像基于纸张的方法存在灵敏度方面的挑战，实现对 CKD 综合血液指标的手持监测仍有困难。因此，开发一种简单、快速、一次性且便携的即时检测设备，用于同时评估血钾和肌酐水平迫在眉睫。

本研究介绍了一种紧凑型片上自驱动双通道光学微传感器，可用于手持直接测量全血中的钾和肌酐水平，并能将检测数据无线传输至智能手机，适用于术前检查、床边监测和现场紧急诊断。该微传感器利用 3D 打印技术，集成微通道层和过滤层，仅需 10 μL 血样即可进行检测。其 “一进二” 设计可将一滴血分流至钾和肌酐的独立微反应腔，实现同时双参数检测。针对全血一次性检测，研究人员开发了一种新颖的直接血样泵送方法，将微通道内表面的亲水性分子层处理与微设备的自驱动相结合：微通道内部的亲水性分子层处理在遇到血样时会产生强吸附作用，芯片顶部的密封层则建立内部真空环境，使芯片内外产生压力差。这种协同机制确保样本一旦接触入口，无需额外泵源就能顺利流向芯片两侧的检测区域。片上系统还集成了由常规发光二极管（LEDs）和光电二极管组成的光学检测模块，分别位于钾和肌酐的检测腔处，检测 520 nm 和 500 nm 的特定吸收峰，并根据吸光度计算浓度。基于这种紧凑型片上自吸双通道光学微传感器，对实际血样进行双参数检测时，获得了较宽的检测范围和较低的检测限（LOD）。检测数据通过蓝牙传输至具备云功能的智能手机，用于主动健康管理或远程监测。这种双通道光学微传感器为当前医院的术前诊断和术后随访提供了潜在的替代方案，对 CKD 的家庭管理意义重大，其广阔前景还体现在推动即时检测（POC）设备在更广泛血液参数检测方面的进步。

研究使用的肌酐和 KCL 粉末分别购自天津赫奥生物化学技术有限公司（Heowns）和阿拉丁公司。肌酐标准溶液、苦味酸试剂和碱性试剂（NaOH）购自中生北控。血清钾浓度检测试剂盒（微量法）和正常人血清购自索莱宝。无菌脱纤维猪血购自上海源叶生物技术有限公司。PBS 溶剂购自深圳。

血清钾和肌酐的检测采用不同的显色原理。对于钾检测，钾离子与四苯硼钠反应生成不溶于水的四苯硼钾。在特定范围内，产生的浊度与钾离子浓度成正比，通过测量浊度可确定样品中的钾含量。

本文介绍了一种新型双通道微传感器，用于直接检测全血中的钾和肌酐，以实现肾病的家庭管理。该传感器采用 “一进二” 微结构设计并集成过滤层，可对微量血样进行一次性过滤和双通道检测。被动式直接血样泵送方法利用内外压力差的协同作用，结合……（原文此处未完整表述）

海静田：撰写初稿、验证、调查、数据整理。吴若：方法学、调查、概念构思。吕琦：资源、项目管理。石杰：资源、数据整理。郭晓琴：监督、数据整理。李多：形式分析、数据整理。刘春丽：形式分析、数据整理。李琦：验证、方法学。郑维佳：方法学、调查。范浩军：项目管理、资金获取。段雪欣：监督。

作者声明不存在已知的可能影响本文所报道工作的竞争性财务利益或个人关系。

作者衷心感谢中国国家重点研发计划（2021YFC3002202、2021YFC3002204）、国家自然科学基金（NSFC No. U2233206）的资助。