柔性微流控集成电化学系统实现汗液中肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的连续流动检测

本研究针对汗液中肿瘤坏死因子-α(TNF-α)连续监测的技术瓶颈，开发了一种基于金纳米颗粒(AuNPs)修饰的柔性三电极电化学传感器，集成微流控系统实现0.2-1000 pg/mL动态检测范围，LOD低至3.2 pg/mL。该工作通过实验与多物理场模拟结合优化电极几何构型，为可穿戴炎症监测提供了高灵敏度、高选择性的解决方案。

　　

在健康监测领域，汗液作为富含生理信息的非侵入性样本备受关注，其中肿瘤坏死因子-α(TNF-α)作为关键炎症标志物，其浓度变化与癌症、败血症等疾病密切相关。然而现有检测技术面临三大挑战：传统血检的侵入性、光学传感器的笨重昂贵、以及缺乏适用于动态汗液环境的连续监测方案。尤其当检测需求下探至pg/mL级时，如何兼顾灵敏度、选择性和穿戴舒适性成为技术突破的关键瓶颈。

针对这一难题，欧洲研究团队在《Biosensors and Bioelectronics》发表创新成果，通过将柔性电化学传感与微流控技术深度融合，开发出可实时监测汗液TNF-α的动态检测系统。研究采用两种几何构型的丝网印刷碳电极(SPCEs)，通过金纳米颗粒(AuNPs)电沉积和硫醇化适配体功能化构建生物界面，结合多物理场仿真优化设计，最终在人工汗液中实现0.2-1000 pg/mL的宽范围检测，检测限(LOD)达3.2 pg/mL，完全覆盖9-362 pg/mL的生理浓度范围。

关键技术方法包括：1) 柔性PET基底上构建间距分别为1mm和0.5mm的两种三电极系统；2) 计时电流法精确控制AuNPs电沉积密度；3) TNF-α特异性硫醇化适配体功能化及聚乙二醇(PEG)封闭；4) COMSOL多物理场模型模拟电极-电解液界面行为；5) PDMS微流控芯片集成实现20 μL/min连续流动检测；6) 电化学阻抗谱(EIS)在10 Hz特征频率下分析电荷转移电阻(R_CT)变化。

3.1 金纳米颗粒沉积
通过SEM和EDX证实600秒沉积时间可获得最大活性表面积(增加129%)，且Au纯度达95.5%。超过1000秒时出现纳米颗粒堆叠，反而降低有效表面积。

3.2 适配体功能化
XPS检测到磷(P)和氮(N)特征峰证实适配体成功固定。EIS显示R_CT从AuNPs修饰后的68 Ω逐步增至TNF-α结合后的836 Ω，CV氧化峰电流同步降低，表明适配体构象变化有效阻碍电子转移。

3.3 电化学模拟
COMSOL仿真重现实验趋势，证实0.5mm电极间距(设计B)比1mm间距(设计A)对表面修饰更敏感，R_CT变化幅度提升40%，为几何优化提供理论依据。

3.4 生物传感性能
设计B在静态PBS中灵敏度达160.9 Ω/log(pg/mL)，LOD 0.64 pg/mL；微流控连续检测时LOD 3.2 pg/mL。选择性测试显示，即使干扰物IL-6浓度十倍于TNF-α，传感器仍保持特异性响应。

这项研究通过"柔性基底-纳米修饰-微流控集成"三重创新，突破了可穿戴炎症因子监测的技术壁垒。其科学价值体现在三方面：首先，多物理场仿真与实验的闭环验证为电化学生物传感器设计提供了新范式；其次，非标记EIS检测策略避免了传统 redox标记的复杂性；最后，PDMS微流控与柔性电极的异质集成解决了汗液动态采集难题。该技术未来可通过阵列化扩展为多因子检测平台，结合微型化电位ostat实现真正意义上的可穿戴炎症监测，为慢性病管理和败血症预警提供全新工具。值得注意的是，研究中发现的pH依赖性响应提示未来需集成pH补偿模块，这也是团队在讨论部分明确指出的后续优化方向。