一种基于邻苯二胺分子印迹技术的高度特异性可穿戴传感器，用于检测汗液中的肌酐

《Talanta》：A Highly Specific Wearable Sensor Based on o-Phenylenediamine Molecular Imprinting for Sweat Creatinine Detection

本研究开发了一种基于分子印迹聚合物（MIP）的柔性汗液传感平台，用于非侵入性检测肌酐（CR）。通过邻苯二胺（OPD）功能单体构建多位点氢键识别层，结合五角星汗液收集模块和电化学检测系统，实现了0.1-400 μM范围内高灵敏（R2>0.99）的CR动态监测。实验验证了其在真实汗液样本中的稳定性和对昼夜节律及饮食摄入的响应能力，为便携式肾功能监测提供了新方法。

　　

孔慧|唐成晨|张大月|陈可欣|刘银华|周连群

未来研究所，自动化学院，山东工业控制技术重点实验室，青岛大学，青岛266071，中国

摘要

肾功能动态评估已成为临床和健康管理中的关键要求。现有的检测方法主要依赖于血液或尿液等样本，这给便携式、连续性和实时监测带来了重大挑战。本研究介绍了一种基于汗液分析的新型可穿戴电化学生物传感平台，用于无创检测肌酐（肾功能的关键生物标志物）。该平台使用邻苯二胺作为功能单体来构建分子印迹聚合物识别层。利用其邻二胺基团提供的多点氢键相互作用，该层与肌酐形成强而特异的结合，使传感器具有高分子特异性和抗干扰性能。该系统集成了柔性皮肤粘合界面、电化学检测单元和五角星形汗液收集模块。通过内置电极在静息状态下诱导局部出汗，从而实现新鲜汗液的有效传输和实时分析。传感器在0.1至400 μM的浓度范围内表现出优异的线性响应特性，两个线性区域的相关系数R²均大于0.99。该平台在真实人体汗液样本中展示了稳定的检测性能。评估血清肌酐昼夜变化和蛋白质摄入影响的测试证实了传感器捕捉与饮食摄入和生理节律相关的波动的能力。这验证了其在无创、动态监测肾功能方面的可行性。这种可穿戴设备平台作为汗液生物标志物监测工具具有巨大潜力，为方便追踪和个性化管理肾脏健康提供了可能性。

引言

与肾脏相关的疾病，如慢性肾病（CKD）和急性肾损伤（AKI），逐渐成为重大的全球公共卫生挑战，对患者的生活质量和医疗系统造成了巨大压力[1]，[2]。高效且连续地检测与这些疾病相关的生物标志物对于早期识别、疾病进展监测和精准干预至关重要。其中，肌酐（CR）作为一种重要的代谢产物，反映了肾小球滤过率，被广泛用于评估肾功能水平和跟踪疾病进展[3]，[4]。

CR是人体肌肉代谢的相对稳定的副产品，主要通过肾脏排出。其水平可以准确反映肾小球滤过功能[5]，[6]。因此，CR被广泛用于估算肾小球滤过率（GFR）和整体肾功能。CR浓度的异常变化通常与多种肾脏疾病密切相关，包括CKD和AKI[7]，[8]。尽管现有的基于血清的检测方法技术成熟且结果稳定可靠[9]，[10]，[11]，但它们依赖于医疗机构和专业设备，需要患者反复抽血[12]，[13]，这不仅增加了身体负担，也限制了其便捷性。相比之下，汗液中存在CR为无创、便携式监测提供了新的研究方向（图1a）。现有研究表明，汗液中的肌酐浓度通常在9至30 μM之间，这表明其作为无创监测肾功能的生物标志物的潜力和可行性[14]，[15]，[16]，[17]。

在可穿戴汗液分析领域，实现小分子代谢物的连续、稳定和高选择性检测仍然是一个重大挑战。作为关键的代谢生物标志物，CR具有小的分子结构和高极性。由于汗液中存在大量潜在干扰物（包括尿素、乳酸和氨基酸），其检测更加复杂。这使得在非酶条件下构建高选择性识别界面特别困难[4]，[18]，[19]。现有研究主要依赖于酶促反应或抗体识别策略，但这些方法在长期稳定性、环境适应性和灵活的可穿戴应用方面仍存在局限性[20]，[21]。最近的报告表明，连续监测人体汗液中的皮质醇为非酶汗液检测提供了参考[22]。本研究开发了一种基于分子印迹聚合物（MIP）技术的柔性可穿戴电化学生物传感系统[23]，[24]，[25]，[26]，[27]，实现了汗液中CR的实时、无创和高选择性检测（图1b）。该传感系统摒弃了依赖血液或尿液样本的传统检测方法，直接从人体汗液中提取相关生理信息，并支持在现场环境中实时、动态评估肾功能状态。为了提高CR的分子识别性能，本研究选择了邻苯二胺（OPD）作为功能单体，利用其优异的成膜性能和分子识别能力[28]，[29]，[30]。OPD分子结构包含两个氨基，可以与模板分子CR形成多点氢键或静电相互作用，从而在聚合物基质中构建与目标分子在空间构型和化学性质上高度匹配的选择性识别位点。MIP对CR的识别不依赖于单一的氢键相互作用，而是依赖于多点氢键和形状互补的印迹微腔共同建立的选择性识别机制。在MIP的电化学聚合过程中，OPD单体在CR模板分子存在下发生氧化聚合，形成聚邻苯二胺薄膜。在聚合过程中，OPD的氨基（-NH₂）与CR分子的羰基（C=O）和亚氨基（N-H）通过多点氢键相互作用，形成稳定的单体-模板预组装复合物。这导致聚合物腔与CR分子在空间构型和化学功能基团分布方面具有高互补性[31]，[32]。与苯胺或吡咯等传统单体相比，OPD聚合后形成的聚合物薄膜具有更密集和更稳定的结构、更低的背景电流和更高的电化学稳定性[33]，[34]，有效提高了传感器在低浓度CR检测中的灵敏度和抗干扰能力。此外，MIP材料本身具有良好的结构稳定性、环境耐受性和可重复使用性，进一步提高了系统的可靠性和成本效益。所开发传感器与市场上现有传感器的性能比较见补充表1。

基于此，我们进一步开发了一种灵活的集成电化学生物传感系统，主要信号读取组件采用计时安培法（CA），该方法具有响应快、灵敏度高和线性好的优点。该方法不需要复杂的预处理或样品孵育过程，适用于可穿戴传感器中目标分子的实时定量，进一步增强了系统的实用性和集成性。为了满足动态检测中实时更新汗液样本的需求，我们设计了一种五角星形汗液收集模块，可以有效收集新鲜汗液并分离之前检测样本中的残留液体。在动态生理和营养监测与评估中，我们在多种生理和环境条件下（如昼夜节律和饮食摄入）对多名志愿者进行了汗液收集和实时监测实验。结果表明，传感器平台在监测CR浓度变化方面表现出良好的响应稳定性和准确性，有效反映了体内肾功能的动态趋势。

材料

L-酪氨酸（99%）、氯化钠（光谱级）、尿素（≥99.5%，分子生物学级，超纯）购自Alfa Aesar。盐酸多巴胺（≥99%）、L-色氨酸（≥99.5%）、盐酸肾上腺素（≥98%）、尿酸（BioReagent，≥99%（HPLC）和肌酐（≥99%）、苯丙氨酸（≥98%（HPLC）购自Aladdin。氯化镁（99%）、卡巴胆碱（99%）、琼脂糖（用于生物化学）、邻苯二胺（99.5%）、甲醇（99.99%）和人工汗液（pH=5.5）也均已购买。

可穿戴汗液传感器技术设计

本研究设计了一种一次性柔性传感器贴片，集成了汗液刺激、收集和基于MIP的电化学检测模块，以实现CR的动态监测。该贴片采用多层结构，包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）层、绝缘保护层、柔性电极、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底、汗液刺激电极和卡巴胆碱，确保了出色的皮肤粘附性和操作稳定性（图

结论

本研究开发的基于MIP技术的柔性汗液传感器代表了可穿戴肾功能监测技术的重要突破。该传感器能够实现CR的实时、无创检测，为早期识别CKD和AKI等肾功能相关疾病提供了有力工具。在分析性能方面，传感器表现出出色的检测能力，实际检测限为0.1 μM，线性检测

CRediT作者贡献声明

孔慧：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，监督，软件，方法学，研究，资金获取，数据管理，概念化。唐成晨：撰写原始草稿，可视化，验证，软件，资源，项目管理，方法学，研究，正式分析，数据管理，概念化。陈可欣：撰写 – 审稿与编辑，撰写原始草稿。张大月：撰写 – 审稿与编辑，撰写原始草稿。

人类受试者招募

汗液传感器的验证和评估是在青岛大学机构审查委员会批准的协议（ID: QDU-HEC-2024457）下，按照所有伦理规定由人类受试者进行的。参与者（18岁以上）来自青岛大学。所有受试者在参与研究前都获得了书面知情同意。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究工作得到了山东省自然科学基金（编号：ZR2022QF120）和青岛博士后基金（编号：QDBSH20230101005）的财政支持。