综述：用于生物流体肌酐检测与测量的新兴非侵入式（生物）传感技术范围综述：近期进展与未来发展

《Sensing and Bio-Sensing Research》：A scoping review on emerging non-invasive (bio)sensing technologies for creatinine detection and measurement in biofluids: Recent advancements and future developments

　　

慢性肾脏病(CKD)影响全球超过8亿人，预计死亡率在未来几年将持续上升。早期诊断与有效监测可显著降低严重或致命并发症的风险。血清肌酐作为估算肾小球滤过率(GFR)的关键临床参数，在CKD诊断与监测中处于核心地位。开发采用替代性非侵入式方法的肌酐检测即时检测(PoC)解决方案，可提高检测频率并改善疾病管理，尤其适用于体弱及患有多种合并症的老年人群。本综述概述了近期针对非侵入式生物流体（即汗液、唾液、泪液和间质液）中肌酐检测的便携式（生物）传感装置的研究进展，重点关注所分析的生物流体、刺激与采集方法、选择性靶标检测策略，以及体现工作原理与所达分析性能的测量技术。研究人员于2015年至2026年间在Scopus、PubMed和Web of Science数据库中进行了文献检索，共获得207篇论文，经筛选后对其中的44篇进行了批判性分析。综上所述，所提出的用于非侵入式肌酐检测（尤其是唾液和汗液中的检测）的传感策略与技术，为开发旨在改善CKD预防、早期诊断和长期监测的PoC装置奠定了良好基础。尽管仍需进一步验证（包括系统可扩展性及真实样本测试），这些解决方案有望实现可及、连续且对患者友好的健康监测，甚至在临床环境之外亦可应用，从而促进更广泛的医疗健康意识与管理水平提升。

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   引言
   肾脏在维持机体稳态中发挥着至关重要的作用，包括调节血压、产生参与多种生理功能的激素以及控制血液中水分、离子及其他元素的平衡。慢性肾脏病(CKD)是一种由多种病因引起的进行性病变，其特征为结构与功能改变，最终导致肾衰竭及其他合并症，如心血管疾病。该病症影响全球超过8亿人（占全球人口的10%以上），已成为全球主要死因之一。每年因CKD导致120万人死亡，并造成2850万寿命损失年(YLLs)；预计到2040年，CKD将成为全球第五大YLLs成因——在所有主要YLLs成因中增幅位居前列。终末期肾病(ESKD)患者需接受昂贵且终身的透析或肾移植治疗，这两种治疗方式均存在一定并发症风险。由于早期症状缺失，许多CKD患者在进展至ESKD后才就医。因此，早期识别CKD并及时干预对于阻止或延缓病程进展、降低并发症风险至关重要。临床通常将肾小球滤过率(GFR)作为主要参数随时间监测肾功能，因其被视为评估肾脏功能的整体最佳指标。GFR监测对于评估特定治疗效果、疾病分期、预后判断及减少可能的并发症至关重要。根据疾病严重程度、合并症及用药情况，可能需要提高GFR监测频率，这会给患者及社会带来不适与经济负担。此外，在许多国家，中重度疾病的监测远未达理想状态，亟需实施新的策略。

肌酐是肌酸与磷酸肌酸代谢分解的产物，是人体正常机能活动中肌肉活动的代谢副产物。它通过肾小球规律滤过并由肾脏排出体外。在大多数临床场景中，通过血清肌酐估算GFR适用于CKD的诊断、分期及进展监测，因其广泛可得、可重复性强、成本低廉且易于实施。相较于估算GFR，测量GFR成本更高、耗时更长且具有侵入性，仅在特定中心可用。估算GFR是衡量肾脏清除体内化学废物能力的指标，是通过结合年龄、性别等人口统计学因素的方程计算得出的关键肾功能监测参数。健康受试者的血清肌酐浓度范围为45–110 μM (0.51–1.24 mg/dL)，高于此水平则提示可能存在疾病，需进一步临床检查。传统的肌酐鉴定技术依赖于Jaffe反应，该反应利用分光光度法检测肌酐亚甲基单元与碱性苦味酸溶液反应产生的颜色变化。尽管该方法成本低廉、速度快，但其主要缺点是非特异性、对温度和pH变化敏感，且需要专业人员操作分析。已有替代方法（如气相色谱-质谱联用、液相色谱-质谱联用、毛细管电泳）用于肌酐测量，但这些方法均为实验室级技术，需要体积庞大、昂贵且精密的仪器设备。因此，检测耗时较长，且常需门诊就诊，使患者面临侵入性采血。已推出基于血液样本的家庭检测试剂盒以促进自我监测，但这些试剂盒存在显著局限性。血液基家庭检测可测量肌酐和估算GFR等生物标志物，但反复指尖采血仍具有中度侵入性，并存在感染风险。此外，采集的血液样本通常需要运输至集中化实验室，导致结果周转时间长达数天至数周。血清肌酐的替代方案是测量尿肌酐清除率，但由于收集不足或过量，该方法极易出错，且近期一项研究发现其准确性不足。尽管连续传感技术可能提高该方法的准确性（尤其适用于急症患者或永久留置导管的患者），但该方面尚需专项研究予以解决。尿基检测试剂盒（如试纸条法）通过比色变化检测尿白蛋白/肌酐比值，提供快速便捷的测量。尽管具备此优势，此类检测仅能提供半定量结果，且依赖视觉判读，限制了其在临床决策中的可靠性。其他缺点还包括易受尿液变色、样本污染影响，以及不同试剂条的灵敏度与选择性存在差异。重要的是，血清基和尿液基检测方法均无法实现肾功能的实时或连续监测，从而限制了其在CKD早期检测和最佳疾病管理中的有效性。为克服这些限制，近年来研究人员探索了在不同生物流体中检测肌酐的替代测量方法。唾液、汗液、泪液和间质液(ISF)是通过非侵入或微创方式可获取的最受广泛研究的生物流体。其中，唾液因采集简便、无创且能反映源自血液的生物标志物而备受关注，推动了唾液基诊断方法的快速发展。汗液同样极具吸引力，因其可通过遍布全身的汗腺从身体多个区域收集，非常适于集成到可穿戴传感平台，实现连续实时生理监测。通过离子电渗疗法、反向离子电渗疗法和微针技术实现的微创方法已被开发用于获取ISF。由于分析物直接从细胞扩散至ISF，其浓度与血液中测得的浓度密切相关。泪液的成分较血液简单，但仍含有多种生物标志物，近年来吸引了越来越多的研究兴趣。多项近期文献发现证实了肌酐存在于所有这些生物流体中。具体而言，生理状态下唾液和汗液的肌酐浓度范围分别为4.4–17.7 μM (0.050–0.200 mg/dL)和9.4–18 μM (0.106–0.204 mg/dL)，而升高水平则提示CKD。ISF中的肌酐浓度据报道与血清中的相似，而泪液肌酐浓度近期在有限的健康个体样本中报道范围为4.2–44.7 μM (0.049–0.506 mg/dL)。

血液和尿液仍是常规临床实践中肌酐评估的参考基质。然而，由于其侵入性、患者负担及对集中化实验室基础设施的依赖，它们本质上限制了频繁、实时或连续的监测。这些局限性激发了人们对可无创或微创获取的替代生物流体的日益浓厚的研究兴趣（如唾液、汗液、泪液和间质液），这些流体与可穿戴和即时检测(PoC)传感技术更具兼容性。因此，本综述有意聚焦于非传统生物流体，排除了已在其他地方被广泛涵盖的基于血液和尿液的肌酐测量。

鉴于该领域技术发展速度极快，本综述旨在梳理近期开发的用于上述非侵入式生物流体中肌酐检测的传感器和生物传感器，以支持CKD的临床评估。针对生物流体中肌酐测量的不同解决方案已通过PoC系统被提出，这些系统可使用户直接进行频繁检测，推动家庭监测评估的实现。近期综述强调了人们对用于外周生物流体中CKD相关生物标志物监测的可穿戴微流控生物传感器的日益关注。据研究人员所知，目前尚缺乏专门针对肌酐、全面涵盖非侵入式PoC解决方案设计、开发与应用的范围综述。该领域的近期进展值得修订，以便为旨在快速推进支持肾病临床诊断与监测的解决方案实现的研究人员提供实用指南。本研究重点关注选定论文中用于非侵入式肌酐检测与测量的生物流体，特别着眼于测试用人工溶液的组成与性质，以及用于真实样本分析的刺激和采集方法，以明确其在实际应用中面临的主要挑战。此外，本文对应用于肌酐检测与测量的主要（生物）识别策略进行了分类，并强调了所开发装置的工作原理及达到的分析性能（包括灵敏度、选择性、线性工作范围、长期稳定性和检测限）。研究结果被详细分析与报告，并在本工作中讨论了主要发现、当前局限性和进一步发展的建议。

1. 2.
   材料与方法
   2.1 数据来源
   研究人员于2026年5月18日在Scopus、Web of Science和PubMed数据库中检索了关于设计开发新型装置以在非侵入式生物流体（如唾液、汗液、泪液和ISF）中进行肌酐检测与测量的科学出版物。

2.2 检索词

文献检索采用的术语（在标题和/或摘要和/或关键词中检索）为：肌酐 AND (传感器 OR 生物传感器) AND (汗液 OR 唾液 OR 泪液 OR ISF OR “间质液”)。

2.3 研究筛选流程

本综述仅纳入2015年至2026年期间发表的、以英文撰写的原创全文文章和会议论文，且这些论文需报告在汗液、唾液、泪液或ISF中设计和开发生物传感器与传感器以检测测量肌酐。时间限制是基于过去十年可穿戴和PoC传感技术的快速发展。初始阶段分别检索每个数据库。若符合以下任一排除标准，则不纳入项目：(1) 2015年之前发表；(2) 不属于文章或会议论文类别（即排除非原始文献类别，如综述、社论和摘要）；(3) 非英文撰写。随后合并三个数据库的检索结果，手动识别并删除重复参考文献。

此时，剩余出版物由不同作者独立审查，若出现以下情况则予以排除：(1) 未使用传感器；(2) 未测量肌酐浓度；(3) 使用侵入式系统；(4) 仅在血清或尿液中测量肌酐；(5) 阅读标题和摘要后认为文章不适合本综述；(6) 无法完全获取。作者会议与讨论解决了关于文章纳入/排除及分类的分歧。

2.4 数据提取

对纳入的论文进行了仔细修订，以确定近期开发的非侵入式肌酐传感器的关键要素。特别关注了所分析的生物流体、应用的传感或生物传感策略，以及所报告装置的工作原理及其分析性能。两名评审员使用标准化提取模板独立进行数据提取，分歧通过讨论达成共识解决。数据通过描述性综合进行比较，对照研究中的重复模式，并根据生物流体类型、传感策略和分析性能总结关键发现。在接下来的章节中，提取的数据将在综合表格和直方图中呈现。

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   结果
   3.1 概述
   通过检索共获得207篇论文。具体而言：PubMed 31篇，Web of Science 83篇，Scopus 93篇，使用第2.2节提到的数据库关键词。剔除2015年前发表的论文、不属于文章或会议论文类别的论文以及非英文撰写的论文后，仅剩Scopus 76篇、Web of Science 68篇、PubMed 29篇（总计173篇）。剔除重复项后剩余91篇符合条件的论文。最后，经过标题/摘要筛选，共有44篇研究被选入本综述。

根据执行的数据抽象对所选论文进行详细分析。重点在于分析的生物流体，以及所采用的传感和生物传感策略，研究装置的工作原理和分析性能。第3.2至3.3节将根据所执行的数据抽象报告详细分析。重点是所分析的生物流体、所采用的传感和生物传感策略，研究装置的工作原理和分析性能。图1展示了根据范围综述PRISMA方法学的文章检索与筛选流程图。

3.2 生物流体

常规血液分析的潜在非侵入式替代物包括汗液、唾液、泪液和ISF。研究人员进行了文献检索以分析这些生物流体中肌酐检测的创新技术。在该领域中，唾液和汗液的研究远多于ISF和泪液，但并非所有研究都已在其原型上对真实人类样本进行测试，部分测试仅限于人工溶液（如人工唾液）或缓冲溶液。表1给出了测试的缓冲溶液组成和pH值、人工溶液组成、分析的真实样本数量、肌酐浓度范围以及考虑的可能干扰物详情。在那些将开发的（生物）传感器在真实唾液样本上进行测试的研究中，采用了不同的采集方法。最常见的是通过被动张口流涎法将唾液收集到塑料小瓶或容器中。另一种方法是使用Salivette?采集唾液，受试者咀嚼棉签1分钟，然后用无菌注射器挤压棉签将样本转移到单独的小瓶中。还有一种不同的解决方案是使用壳聚糖海绵采集唾液。由于其无毒性和生物相容性，它可被含在人口中并吸收大量唾液。一旦置于样品加载区，施加手动压力即可将吸收的唾液从海绵中释放并移至检测区。为了保持完整性，收集的人类唾液样本通常在4°C下储存。在一些研究中，这些样本未经进一步处理，而在另一些研究中，分析前会对样本进行预处理。具体而言，样本经过离心以消除食物残渣，收集上清液后进行超声处理以破坏导致高粘度并使样品处理复杂化的长链粘多肽。最后，每个样本通过220 nm尼龙注射器或尼龙滤膜过滤，以去除大的蛋白质聚集体和其他不需要的大分子。为了尽量减少残留多肽和唾液粘度的影响，过滤后的样本用磷酸盐缓冲液(PBS)稀释。

对于汗液测量，必须解决两个挑战：汗液刺激和汗液收集。刺激可通过不同活动中的热应激暴露实现，也可在温热水淋浴或沐浴期间及之后进行；在其他情况下，受试者被要求进行运动环节，方案从60分钟的运动环节、正常固定骑行、跑步机上跑30分钟到户外跑20分钟不等。或者，可使用内置离子电渗电极结合负载卡巴胆碱的水凝胶在静息状态下诱导出汗，或使用药理活性的匹鲁卡品，从而无需体育锻炼。一旦生物流体被刺激产生，就需要将其收集并引导至装置的感应区域以执行测量。在某些情况下，尚未开发汗液收集模块，解决方法仅仅是让参与者用离心管从头收集汗滴。在其他情况下，汗液通过吸收性织物或通过聚乙烯醇(PVA)制成的水凝胶收集，或由海藻酸钠和壳聚糖与Ca²⁺交联制成的水凝胶收集，后者具有高度多孔的三维结构，可促进高效汗液吸收。例如，文献中提出了一个创新的汗液收集平台，专门设计用于采样指尖汗液。在该系统中，多孔PVA水凝胶预载PBS以促进汗液收集并保持pH稳定性。该系统只需将手指放在水凝胶涂层电极上两分钟，即可在静息状态下被动收集自然指尖汗液，让其被动扩散到水凝胶中。在这些解决方案中，微流控系统是研究最多的。此类系统设计为允许汗液通过皮肤界面的入口端口进入装置，通常由排汗过程中产生的自然压力驱动。汗液随后通过毛细管效应在微米级通道中传输，并通过一系列毛细管爆裂阀依次收集到一个或多个微米级储液器中。在一项研究中，样品传输由3D纸基微流控系统通过折纸折叠制造控制。该结构集成了汗液收集、电化学检测和蒸发层，实现连续定向汗液流动。这种设计将新鲜汗液快速输送到感应区域，约20秒内更新样品，并最大限度地减少新旧汗液之间的混合。在另一项研究中，采用了仿生方法：受德克萨斯角蜥皮肤的启发，聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控装置具有不对称微槽，实现了自发定向液体传输（通过拉普拉斯压差）和通过毛细管爆裂阀的无污染流体路由。PDMS因其柔韧性和生物相容性是软微流控的标准材料。PDMS基装置通常通过软光刻制造，然后与医用级丙烯酸酯粘合剂集成用于皮肤粘附。而在另一项研究中，激光雕刻聚四氟乙烯(PTFE)片材形成通道，并用聚酰亚胺薄膜密封。

与唾液和汗液不同，ISF可通过微针阵列微创获取。例如，研究人员开发了聚合物微针阵列用于ISF提取。为提高ISF提取率和机械强度，将透明质酸和交联甲基丙烯酸透明质酸结合以创建用于制造微针的聚合物基质。此外，还开发了空心金属微针用于ISF提取。使用飞秒激光在组装好的空心微针盘上制造锥形孔和微流控通道，以实现原位ISF收集。

最后，仅有一项工作基于开发眼镜式实验室系统来检测泪液中的肌酐。将基于樟脑和薄荷脑的泪棒置于下眼睑皱褶处或眼睛下方约1.5厘米处；樟脑和薄荷脑蒸气被眼下皮肤的温热释放，刺激泪液产生。此时，如果参与者产生足够的眼泪，则直接佩戴眼镜式实验室装置；否则，使用无菌棉签进行泪液收集。

3.3 选择性肌酐检测策略

所选论文中开发的（生物）传感器用于肌酐测定的最常用策略可分为三类：酶传感策略、分子印迹聚合物(MIP)传感和金属中心传感。每种类别将在以下小节中研究，并附加一个包含不属于前述类别的论文的小节。

已实施不同的转导方法。电化学方法是主要方法，但也有一些研究涉及光学技术，以及少数依靠压电和摩擦电传感器进行肌酐检测的工作。图4报告了本综述所选论文中针对每种（生物）传感策略、按分析生物流体分类的转导技术分布。

3.3.1 酶传感策略

酶法肌酐检测通常涉及多个酶的级联反应，最终产生可在电极表面测量的电活性物质。肌酐酶、肌酸酶和肌氨酸氧化酶常被按顺序用于产生可测量物质的反应中。可测量物质通常是过氧化氢(H₂O₂)，可采用H₂O₂响应染料（比色技术）、测量电极表面H₂O₂氧化产生的安培电流（可最终通过普鲁士蓝增强），或依靠H₂O₂产生的H⁺和e^-（H₂O₂→ 2e^-+ 2H⁺+ O₂）来影响传感器的摩擦电或压电输出。

比色技术是应用最广泛的技术之一，依靠H₂O₂响应染料（如4-氨基安替比林）测量酶级联反应后产生的H₂O₂。比色汗液生物传感器可具有微流控模块，带有包含染料和酶的微储液器。红色-绿色-蓝色(RGB)值的绿色水平下降与肌酐浓度的升高相关，从而实现定量。薄而透明的聚酯粘合膜上的颜色参考标记有助于从数字图像中定量提取颜色信息。与之不同，一项研究开发了一种唾液生物传感器，其传感模块由包裹酶和染料并固定在玻璃基底上的聚乙二醇基水凝胶构成。调整水凝胶的网孔尺寸以允许目标分子扩散进入，同时防止捕获的酶泄漏。与肌酐反应后水凝胶变为粉红色的显色变化使用微板读数器监测。然后使用智能手机捕获和分析催化RGB颜色信号，以获得便携式系统。一项研究开发了一种具有花朵形储液器的微流控系统，结合了多种深度以提供不同的光路长度。这增强了低分析物浓度下的灵敏度，同时防止高浓度下的信号饱和。在过氧化物酶存在下，酶促反应产生的H₂O₂