一种用于微流控系统内葡萄糖浓度测量的酶促光学式葡萄糖传感器

近年来，研究人员试图利用复杂的微流控细胞培养系统来模拟人体的病理/生理环境。这些所谓的器官芯片或微生理系统（MPS）有望比动物模型或静态体外细胞培养模型更好地模拟人体。此外，通过集成传感器，研究人员可以实现对这些微生理系统的控制，并将加强人们对疾病或药物作用机制的理解。葡萄糖是人体细胞的主要能量来源，因此，监测微生理系统（MPS）内的葡萄糖可以为了解所培养细胞的活力和代谢状态提供有价值的信息。然而，由于缺乏合适的微型传感器，持续监测微生理系统内的葡萄糖具有一定挑战性。

据麦姆斯咨询报道，为了解决上述挑战，来自奥地利格拉茨技术大学（Graz University of Technology）和维也纳工业大学（Vienna University of Technology）等机构的研究人员共同提出了一种用于微流控系统内葡萄糖浓度测量的酶促光学式葡萄糖传感器。这种直径为1 mm的微型葡萄糖传感器与参考氧传感器被共同制作在具有良好生物相容性的压敏胶带上，使其易于集成在微流控系统中。此外，该研究所提出的微流控系统可以作为现有微生理系统的即插即用传感系统。相关研究成果近期以“Optical glucose sensor for microfluidic cell culture systems”为题发表在Biosensorsand Bioelectronics期刊上。

该研究开发的光学式葡萄糖传感器是一种酶促传感器，其可以利用葡萄糖氧化酶（Gox）将葡萄糖转化为葡萄糖酸内酯。这一反应过程引起的氧气消耗量可以用磷光氧指示染料来测量。这一光学式葡萄糖传感器由含有氧敏磷光染料和葡萄糖氧化酶交联酶聚集体（Gox-CLEAs）的颗粒组成，这些颗粒被固定在具有良好生物相容性的水凝胶中。不含葡萄糖氧化酶的氧传感器按照微流控系统中流体的流动方向集成在葡萄糖传感器之前，以便对样品中的氧气含量进行参考测量。反应的副产物过氧化氢（H2O2）会使葡萄糖氧化酶失活，从而影响传感器的寿命。因此，在传感器组成中加入过氧化氢酶、铂-纳米颗粒（Pt-NPs）或二氧化钌（RuO2）等催化剂之一来去除过氧化氢。此外，该研究使用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜覆盖传感器，其在限制葡萄糖扩散速度的同时会影响传感器的测量范围和灵敏度。

（A）光学式葡萄糖传感器的传感层由葡萄糖氧化酶交联酶聚集体（Gox-CLEAs）、用氧敏染料染色的颗粒和用于过氧化氢分解的附加催化剂组成。以上所有组分都被嵌入水凝胶中，并被多孔膜覆盖，以作为限制葡萄糖扩散的屏障。此外，该研究使用粘性传感器基底将光学式葡萄糖传感器集成在微流控器件中，并将光纤直接固定在葡萄糖传感器基底上，用于光学读出。（B）将氧传感器和光学式葡萄糖传感器集成到微流控流体腔室中。其中，氧传感器集成在第一腔室中，光学式葡萄糖传感器集成在第二腔室中。两种传感器都具有直径为1.5 mm的葡萄糖扩散屏障。（C）采用含有不同催化剂类型的传感器配方制备了直径为600 μm ~ 800 μm的点状传感器。其中，含有铂-纳米颗粒（Pt-NPs）的传感器比含有过氧化氢酶的传感器明度更低，含有二氧化钌（RuO2）的传感器颜色相对偏黑。

 

葡萄糖传感器的基本特性

为了评估所开发的光学式葡萄糖传感器的长期稳定性，研究人员在细胞培养条件下（37°C，pH = 7.4）对其进行了连续5天的监测，监测结果显示，该光学式葡萄糖传感器表现出轻微的漂移（3%/天）。接着，研究人员进一步研究了氧气浓度、pH、流速和灭菌方法等细胞培养参数对该光学式葡萄糖传感器传感性能的影响。最后，研究人员利用即插即用微流控系统对细胞培养（静态）中的葡萄糖水平进行了在线测量，其测量结果与市售葡萄糖传感器具有良好的一致性。

细胞培养参数对光学式葡萄糖传感器性能的影响

 

光学式葡萄糖传感器的长期稳定性及其与市售葡萄糖传感器的测量结果对比

综上所述，该研究开发了一种光学式葡萄糖传感器，其可以很容易地集成到微流控系统中，并且能够在细胞培养条件下进行稳定的葡萄糖测量。在将来的研究中，研究人员计划将这种光学式葡萄糖传感器集成到更复杂的微生理系统中，以控制细胞培养和监测细胞内葡萄糖的消耗。此外，还可以在该微流控光学式葡萄糖传感器系统中进一步集成光学pH传感器和氧传感器。这些传感器集成在细胞附近，可以测量细胞外酸化速率和细胞的耗氧量，从而能够利用一个集成装置对代谢相关的多重参数进行同时监测。

审核编辑：刘清