用于人体唾液乳酸实时监测的优化电化学生物传感器：兼具增强灵敏度、稳定性与重现性的设计

《Advanced Sensor Research》：An Optimized Electrochemical Biosensor for Real-Time Monitoring of Lactate in Human Saliva With Enhanced Sensitivity, Stability, and Reproducibility

　　

非侵入性唾液乳酸监测在疾病诊断与个性化口腔保健方面潜力显著。然而，唾液基质复杂，高蛋白含量、获得性膜（pellicle）形成及高黏度给电化学生物传感器带来生物污染、信号干扰与稳定性受限等挑战。研究人员提出一种面向未经处理人唾液可靠运行而合理设计的电化学乳酸生物传感器。其多层表面架构由普鲁士蓝（Prussian Blue, PB）、乳酸氧化酶（lactate oxidase, LOx）、牛血清白蛋白（bovine serum albumin, BSA）及两性离子聚多巴胺–MPC（zwitterionic polydopamine–MPC, pDA/MPC）涂层构成，在最小化非特异性吸附的同时保持底物可及性。优化后传感器在磷酸盐缓冲液（pH 7.5）中、+0.055 V（vs. Ag/AgCl）工作电位下灵敏度为?0.48 μA·mM?1，线性范围达2.5 mM。在未经处理人唾液中，该传感器可准确量化内源性乳酸，并在饱和前检出额外至多1 mM乳酸添加量，覆盖生理相关浓度区间。该多层架构进一步提供稳定且可重现的响应，葡萄糖、尿酸和抗坏血酸干扰可忽略。人牙龈成纤维细胞细胞毒性实验确认修饰表面生物相容性。结果表明，合理的多层表面工程可实现唾液中稳健的电化学乳酸传感，为未来口内生物传感应用提供有前景的策略。

研究背景与立项依据

唾液作为口腔与外环境的界面介质，含有代谢物、蛋白及生物标志物，可反映全身与口腔病理生理状态。乳酸是糖酵解关键产物及厌氧代谢指标，与龋病、牙周病、炎症密切相关；传统血检侵入且不适于连续监测，而唾液采集无痛、可重复、适配穿戴式平台。但唾液基质复杂（含黏蛋白、蛋白、葡萄糖、尿酸、抗坏血酸等电活性干扰物），电极表面易发生蛋白吸附、获得性膜形成、生物污染，导致信号漂移与酶失稳。现有酶电极虽引入普鲁士蓝（PB）作介体以降低电位并抗干扰，但仍受限于酶脆性与直接电子转移效率低，且在原生唾液中易因基质效应失效。因此，研究人员在《Advanced Sensor Research》报道了一项研究，目标是通过理性多层表面工程，构建可直接在未经处理人唾液中连续运行、兼具灵敏度与抗污能力的乳酸生物传感器。

主要关键技术方法

研究人员采用丝网印刷金电极，依次构建PB介体层（恒电位沉积+循环伏安活化）、壳聚糖（chitosan, CS）物理包埋固定乳酸氧化酶（LOx）、牛血清白蛋白（BSA）阻断层、两性离子聚多巴胺-MPC（pDA/MPC）抗污涂层；以计时电流法在+0.055 V（vs. Ag/AgCl）检测。唾液样本来自健康志愿者空腹采集（禁食水2 h，Salivette离心取上清）。酶动力学以ABTS比色法评估；表面形貌用扫描电镜（SEM）表征；选择性考察葡萄糖/尿酸/抗坏血酸；细胞相容性以人牙龈成纤维细胞（hGF）间接细胞毒性（MTS/LDH/DNA定量）评价；唾液中定量采用标准加入法校准。

研究结果

2.1 生物传感器表面修饰与酶负载优化

通过SEM确认裸金→PB纳米晶→LOx/CS球状层→pDA/MPC致密互联层的逐步构筑。PB经150 s恒电位（+0.4 V）+5圈CV活化形成稳定晶格，支撑+0.055 V低电位运行与过氧化氢催化还原。

2.2 分层与酶负载对传感器响应的影响

chronoamp筛选LOx浓度（15 mg/mL最优，兼顾信号与动态范围）。比较LOx-only、LOx/BSA、LOx/pDA/MPC、LOx/BSA/pDA/MPC四构型：最优LOx/BSA/pDA/MPC在磷酸盐缓冲液中线性至2.5 mM，灵敏度?0.48 μA·mM^?1（R²=0.99），LOD=2.3 μM；BSA提供间距与阻断，pDA/MPC水合层抑蛋白吸附且允许乳酸通透。选择性实验显示对葡萄糖、尿酸、抗坏血酸电流响应可忽略，抗干扰源于酶识别+PB低电位+表面钝化协同。

2.3 唾液乳酸电化学传感

在未经处理唾液中，内源性乳酸经标准加入法估为0.93 mM；追加乳酸至1 mM内呈浓度依赖负电流增长，超之趋于饱和（酶饱和+基质传质限制），有效范围覆盖生理唾液乳酸（0.1–2.5 mM）。不同供体基线电流有异但乳酸响应一致；三次重复加样重现性好；t₉₀在唾液30–40 s（缓冲液10–15 s）。hGF间接毒性实验24/48/72 h代谢活性分别为114.8±18.4%、97.0±19.8%、83.1±7.8%，高于细胞毒阈值，证实口内适用生物相容性。

讨论与结论翻译

讨论指出，该工作关键不在乳酸电化学检测本身，而在原生唾液复杂基质下维持分析性能；多层界面通过调控底物通量克服米氏动力学限制，将有效线性上限拓至2.5 mM（缓冲液）及覆盖生理增量（唾液），且短期与重复暴露下抗膜污染、基线可控。未来口内穿戴式可结合温度补偿与自适应校准。

结论部分原文浓缩翻译：

本研究报道一种多层修饰电化学生物传感器用于唾液乳酸非侵入连续监测。通过系统优化电极表面（PB沉积、CS基质内酶固定、BSA与pDA/MPC双重阻断），获得可在复杂口腔液中稳定选择性工作的传感器。该架构缓解底物抑制与非特异性吸附，提升酶活性、信号稳定性与重现性。在人唾液中传感器给出可预测的浓度依赖电流；对常见干扰物高选，连续监测跨样本稳健；多层构型将有效动态范围拓展至米氏动力学之上，覆盖生理及升高乳酸浓度；hGF间接细胞毒实验确认组分良好细胞相容性。工作凸显表面工程在生物传感器性能中的关键作用，为唾液无创实时乳酸监测及个性化代谢管理提供稳健平台。