用于可穿戴汗液分析的Na+和Cl?选择性比色光极阵列的定制：组成优化与测量条件

《Sensors》：Tailoring Na+ and Cl?-Selective Colorimetric Optode Arrays for Wearable Sweat Analysis: Composition Optimization and Measurement Conditions

　　

汗液检测是囊性纤维化诊断的核心手段，但传统分析依赖临床仪器，因此亟需便携式即时检测替代方案。作为这项两部分研究的第一部分，研究人员系统优化了Na⁺和Cl^?选择性比色光极（optode）及其测量协议，以期集成到用于原位汗液分析的可穿戴设备中。研究人员在5–100 mmol/L的生理相关浓度范围内筛选了15种基于变色素（chromoionophore）的传感器配方。候选光极的筛选标准包括在NaCl溶液和人工汗液中的稳定性、迟滞（hysteresis）低于0.1对数单位，以及平衡时间短于15分钟。通过分光光度法和使用智能手机及研究级相机的数字比色分析（digital color analysis, DCA）评估其分析性能，并采用稳健性参数（robustness）量化不同成像条件下的信号可靠性。简单的智能手机装置比所测试的实验室成像配置表现出更高的稳健性。将光散射性TiO₂颗粒掺入PVC基质中制成不透明薄膜，可显著降低有色样品的干扰，且不损失灵敏度或响应动力学。在人工汗液中的验证结果表明，在pH 5.5–8.0范围内回收率高于93%。这些结果为汗液中Na⁺和Cl^?的比色测定确立了优化的传感器组成和测量条件，并为第二部分中可穿戴设备的开发提供了分析基础。

囊性纤维化（cystic fibrosis, CF）是由CFTR基因突变引起的遗传性疾病，汗液测试是其主要诊断方法。然而，传统汗液测试依赖临床仪器，操作耗时且不适用于新生儿等样本量不足的场景，因此需要开发快速、可靠、可及的便携式检测技术。比色光极传感器与可穿戴贴片结合，有望成为现有诊断工具的替代方案。尽管数字比色分析已被用于替代分光光度法，但测量设备、光照条件和色彩空间的选择缺乏统一标准，且真实环境下样品颜色和照明波动会干扰信号。本研究作为两部分研究的第一部分，旨在系统筛选并优化用于可穿戴汗液分析的Na⁺和Cl^?选择性比色光极，明确最佳组成与测量条件，为后续可穿戴设备开发提供依据。

研究人员选取了三种变色素（ETH5294、ETH2439、ETH5350）和两种钠离子载体（Na VI、Na X）以及一种氯离子载体（Cl II），制备了15种不同配方的光极薄膜。通过旋涂法制备薄膜用于分光光度测量，通过3D打印滴铸法制备光极阵列用于宏观摄影数字比色分析。研究人员首先在NaCl溶液中记录了光极的响应曲线，并利用光极响应理论模型计算了理论响应曲线，与实验数据对比。结果表明，钠选择性传感器的理论与实验高度一致，而氯选择性传感器的响应范围偏离预测值，据此重新估计了Cl II与氯离子的络合常数logβ_XL = 4.17 ± 0.07。随后，研究人员评估了不同组成对响应范围、灵敏度和迟滞的影响。研究发现，离子载体含量增加会导致灵敏度略有下降，但可拓宽氯传感器的响应范围；变色素的pKa和离子载体络合常数共同决定了响应的pH依赖性和浓度范围。基于生理汗液中的Na⁺和Cl^?浓度范围（约5–100 mmol/L），筛选出适用于不同pH值（5.5、6.5、8.0）的优化配方。迟滞测试显示大多数配方的迟滞低于0.1对数单位，但组成14因离子载体批次部分降解而出现明显迟滞。

在测量条件优化中，研究人员引入稳健性参数Rob，系统比较了不同成像设备（研究级相机、消费级相机、不同档次智能手机）、不同光源（白炽灯、手机闪光灯、环境光）和不同拍摄角度下的信号质量。结果发现，高端智能手机的稳健性优于消费级相机，与实验室设备相当；白炽灯因其连续发射光谱而提供了最高的稳健性，而手机闪光灯虽然光谱质量较高，但离散性和空间不均匀性导致稳健性较低；拍摄角度对结果影响较弱，但建议固定为接近90°。此外，研究人员将TiO₂纳米颗粒掺入PVC基质中，通过涡旋分散（20分钟，PVC:TiO₂质量比1:1）获得均匀不透明的光极膜。该膜可有效消除不同颜色背景（模拟肤色）对光学信号的干扰，且不延长响应时间。在人工汗液验证中，研究人员制备了pH 5.5–8.0的人工汗液，对优化后的传感器进行校准和回收率测试。结果表明，Na⁺和Cl^?传感器的回收率均高于93%，迟滞在可接受范围内。模拟表皮测量实验中，将人工汗液吸附在滤纸上模拟湿润皮肤，传感器阵列与湿润表面接触后通过智能手机和显微镜相机拍照，获得的校准曲线呈线性，但回收率降至82–88%，负偏差主要归因于未进行活度校正以及薄液膜中的不完全平衡。

讨论部分指出，智能手机宏观摄影结合数字比色分析是实验室分光光度法的实用替代方案，高端的成像算法和稳定的LED闪光灯光谱使智能手机具有较高稳健性。引入光散射颗粒是消除样品固有颜色干扰的有效策略，且不影响传感器的灵敏度和动力学。整个传感系统不仅适用于囊性纤维化的汗液诊断，还可扩展到环境水体盐度监测、食品质量控制和工业过程分析等领域，尤其是在便携性优先于光谱精度的场景中。

研究结论总结如下：通过系统筛选，确定了能够在生理相关汗液pH值范围（5.5–8.0）内可靠测量Na⁺和Cl^?浓度（正常及升高水平）的特定光极组成；智能手机宏观摄影与数字比色分析相结合，是实验室分光光度法的高度可及且实用的替代方案；实验证明，在聚合物传感器中引入光散射颗粒可有效减轻样品固有颜色引起的寄生吸收，从而确保在不同背景色下信号的稳定性。该传感系统除用于囊性纤维化诊断外，还可广泛适用于需要小型化和便携性的各种分析任务，如环境、食品和工业分析。