一种基于可吸收-可回收壳聚糖水凝胶的电化学发光系统用于原位汗液尿素分析

《Microchemical Journal》：An absorption-recyclable chitosan hydrogel-based electrochemicalluminescence system for in-situ sweat urea analysis

　　

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  开发了一种可回收的可穿戴 Ru-CS 水凝胶用于汗液分析。
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  共价接枝 Ru(dcbpy)₃²⁺ 将发光效率提升了三倍。
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  实现了高灵敏度的汗液尿素传感器，检测限较低（0.22 mM）。

引言

尿素，又称碳酰二胺，是人体氮代谢的主要终产物。其浓度水平与肾脏和肝脏功能以及其他生理过程密切相关 [1]、[2]、[3]。准确监测尿素水平对于评估肾脏健康、辅助疾病诊断和指导治疗方案具有重要意义。据报道，汗液中尿素的正常浓度约为 1–10 mmol/L。在剧烈运动、高蛋白饮食或某些病理状态（如肾功能不全）条件下，汗液尿素水平可升至约 22.2 mmol/L，而低水平则可能提示肝脏疾病或营养不良 [4]、[5]。尽管传统的血尿素检测方法被视为金标准，但采血过程会给患者带来不适。最重要的是，这些方法难以用于长时间临床诊断中对尿素的动态分析进行连续监测 [6]、[7]。近年来，作为无创、便捷且可提供实时监测的替代方案，汗液尿素检测受到了广泛关注 [8]、[9]。然而，尽管先进的传感平台发展迅速，包括多模式光电化学/比色生物传感、基于异质结的信号放大系统以及具有增强界面电子转移特性的导电聚合物/无机纳米复合材料等，可应用于其他分析目标 [10]、[11]、[12]，但传统的汗液尿素分析方法在灵敏度、选择性和稳定性方面仍面临重大挑战。因此，开发一种专用于汗液尿素监测的高效、无创、实时且准确的分析策略仍然是一个紧迫而关键的任务。

电化学发光（ECL）技术是一种分析技术，它利用电化学反应产生激发态物质，随后通过辐射释放光子，从而对各种生物标志物进行灵敏分析 [13]、[14]、[15]、[16]、[17]。与传统荧光和化学发光技术相比，ECL 技术具有高稳定性、高灵敏度、低背景噪声和操作简便等优势，展现出广阔的应用前景 [18]、[19]、[20]、[21]。例如，丁课题组开发了一种抗坏血酸响应的 ECL 系统用于碱性磷酸酶分析 [22]。孙教授的研究小组构建了一种高性能复合 ECL 生物传感器用于检测鸟苷 5′-单磷酸 [23]。杜课题组基于 APTase 诱导的杂交链式反应和 DNA 模板银纳米团簇，开发了一种可编程组分 ECL 生物传感器，用于三磷酸腺苷和奎宁的定量分析 [24]。然而，传统的 ECL 分析方法往往繁琐，且容易导致分析系统受到污染。最近，ECL 水凝胶备受关注，它将 ECL 技术的高灵敏度与水凝胶材料优异的生物相容性和柔韧性相结合，使得构建高性能传感器成为可能，并为新型分析检测系统提供了新的途径 [25]、[26]。显而易见，可以预期一种基于高效 ECL 水凝胶的原位汗液尿素分析系统，然而据我们目前所知，这仍然充满挑战且尚未见报道。

与以往报道的依赖物理掺杂（易导致发光染料渗出）或需要外加共反应物的均相体系的 ECL 水凝胶不同，我们的共价接枝策略通过酰胺键将 Ru(dcbpy)₃²⁺ 整合到壳聚糖主链中。这种独特的结构促进了分子内电子转移，显著增强了 ECL 强度。关键在于，尿素在这种生物相容性基质中充当自足的共反应物，无需使用有毒添加剂。此外，与灵敏度或稳定性有限的传统比色或电化学汗液传感器相比，Ru-CS 水凝胶能够实现原位汗液吸收、快速响应和可回收使用。据我们所知，这是首个通过共价功能化实现无创、实时汗液尿素分析的可回收 ECL 水凝胶平台。本文使用了一种由三个主要部件组成的可穿戴设备：用于吸收汗液的水凝胶、连接电化学工作站的电极天线以及固定设备的透明胶带。日常使用后，将设备取下，并将外部电极天线连接到电化学工作站进行汗液分析。具体而言，本研究采用接枝技术合成了一种基于壳聚糖的新型发光材料。由此开发出了高发光、稳定且可回收的 Ru(dcbpy)₃²⁺-壳聚糖复合水凝胶（以下简称 Ru-CS 水凝胶）。该水凝胶能够原位吸收汗液，实现超灵敏的尿素分析。该水凝胶的核心机制依赖于其独特的富含氨基的结构。壳聚糖分子链中含有大量氨基，与 Ru(dcbpy)₃²⁺ 共价接枝后形成稳定的发光活性位点。在汗液的弱酸性环境（pH 4–7）中，这些氨基发生质子化，通过氢键高效聚集尿素分子。同时，邻近的仲胺被氧化为氨基自由基，作为 Ru(dcbpy)₃²⁺ 电化学发光（ECL）循环中的电子供体，显著增强发光强度。因此，ECL 信号与尿素浓度之间的线性关系使得尿素的精确原位定量分析成为可能。与水凝胶配合使用的电极天线是连接和传输电化学信号的核心组件。目前采用的是一种简单的结构设计，主要通过将液体石墨涂覆在柔性导电基底上制备而成。电极探针的一端与 Ru-CS 水凝胶界面紧密结合。通过滴涂并固化液体石墨分散液形成的导电过渡层，使得探针与水凝胶之间的电子转移高效且稳定。这确保了在水凝胶内部产生的 ECL 反应信号能够快速传输到探针的另一端。天线的另一端可以直接连接到电化学工作站进行信号采集、放大和分析，从而为尿素浓度的定量计算提供数据。如图 1 所示，Ru-CS 水凝胶通过透明弹性带固定在额头上。在尿素存在的情况下，水凝胶独特的富含氨基的结构为发光反应提供了额外的途径，从而增强了发光强度，实现了尿素分析。与传统尿素检测方法不同，Ru-CS 水凝胶能够直接原位吸收汗液，最大限度地减少采集过程中的污染，并消除样本预处理的需要。它不仅适用于健康人尿素代谢的常规监测，也适用于需要长期监测尿素水平的患者（如肾功能不全或尿毒症患者）。这为这些患者提供了一种无创、便捷且实时的尿素水平监测方案，避免了频繁抽血带来的痛苦和不便。这种可吸收、可回收的水凝胶为通过原位汗液尿素分析进行健康与临床患者监测及环境分析提供了一种简单高效的策略，展现出显著的实际应用潜力和临床价值。（见表 1。）

章节片段

水凝胶的合成

将 1.0 g 壳聚糖加入到 100 mL 的 2 wt% 乙酸溶液中，在室温下搅拌三小时，直至形成均匀透明的液体。将 0.0236 g Ru(dcbpy)₃Cl₂、0.0194 g N-乙基-N′-（3-二甲氨基丙基）碳二亚胺（EDC）和 0.0145 g N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）溶于 40 mL 乙醇溶液中，并在冰浴避光条件下搅拌 2 小时，以确保所有成分完全溶解。将所得溶液缓慢加入至

Ru-CS 的结构表征

采用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）对 Ru-CS 水凝胶的微观结构和成分进行了表征。如图 1A 和 1B 所示，Ru-CS 水凝胶呈现出典型的三维多孔结构，赋予水凝胶优异的水吸收性能，促进汗液的快速吸收。为进一步研究水凝胶的成分，采用 EDS 对区域进行了元素扫描。可以

结论

本文创新地开发了一种基于壳聚糖基质的新型 ECL 传感器（Ru-CS 水凝胶）。通过简单的合成方法，成功构建了具有多种功能特性的三维多孔传感平台，实现了人体汗液中尿素的高效捕获和超灵敏检测。传感器的核心在于 Ru(dcbpy)₃²⁺ 与 CS 之间通过酰胺键的连接。这种独特的结构使 Ru-CS 水凝胶能够发生分子内电子

CRediT 作者贡献声明

Zhi Luo：撰写 – 初稿、数据整理、概念构思。Sheng-Han Tang：撰写 – 初稿、形式分析、数据整理。Wei-Guo Yang：形式分析、数据整理。Bo-Wen Wang：调查。Wei-Xi Zhu：数据整理。Ruo Yuan：方法学、概念构思。Jun Yang：撰写 – 审阅与编辑、概念构思。Yan Li：撰写 – 审阅与编辑、数据整理、概念构思。Shan-Shan Hu：撰写 – 审阅与编辑、监督、方法学。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的会对其在本论文中报告的工作产生影响的经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到中国国家自然科学基金（52172154 和 81972024）以及重庆市自然科学基金（cstc2020jcyj-msxmX0464）的资助。

Zhi Luo|Sheng-Han Tang|Wei-Guo Yang|Bo-Wen Wang|Wei-Xi Zhu|Ruo Yuan|Jun Yang|Yan Li|Shan-Shan Hu