《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：An integrated opto-fluidic miniaturized multimodal spectroscopic sensing platform for multiplexed electrolyte detection in blood serum
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•一种用于多重电解质分析的小型化多模态光谱平台。•集成光流体平台，结合自动化采样与光谱分析。•经人血清验证，与商业分析仪结果高度一致。•便携式平台，适用于临床即时电解质监测。引言定期监测血液电解质对于维持生物体内稳态至关重要，它调控着体液平衡、神经信号传导、肌肉功能、酸碱平衡
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一种用于多重电解质分析的小型化多模态光谱平台。
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集成光流体平台，结合自动化采样与光谱分析。
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经人血清验证，与商业分析仪结果高度一致。
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便携式平台，适用于临床即时电解质监测。
引言
定期监测血液电解质对于维持生物体内稳态至关重要，它调控着体液平衡、神经信号传导、肌肉功能、酸碱平衡和肾功能等关键生理过程。血清电解质水平异常与危及生命的临床状况相关，包括肾功能不全、代谢紊乱、脱水、重症监护以及生理稳态失调等。因此，快速可靠的电解质检测在常规诊断、急诊医学、重症监护和慢性病管理中不可或缺[1], [2]。
传统实验室技术，如离子选择电极（ISE）、火焰光度法、离子色谱法和分光光度法，在电解质评估方面具有高度的精确性和可靠性[3]。然而，这些技术在去中心化和实时诊断中的应用受到限制，因为它们通常需要复杂的设备、熟练的技术人员和相对较大的样本量。由于这些困难，人们对无需基于电极的信号转导即可实现多重、低成本和便携式电解质检测的替代传感技术兴趣日益增加[4], [5]。电化学传感器，特别是固态接触ISE和基于晶体管的器件，因其高灵敏度、快速响应和与微型化的兼容性而被广泛探索。尽管具有这些优势，电化学系统往往存在电极漂移、校准需求和有限多重检测能力等问题，可能影响其长期稳定性和可靠性[6]。
利用其他生物流体（如汗液和唾液）进行无创电解质检测的最新发展也因其与可穿戴传感技术的进步而广受欢迎[7], [8], [9]。这些方法适用于汗液和唾液中电解质浓度的定性监测。然而，这些生物流体受分泌速率、水合状态和局部污染的强烈影响；此外，它们与血液血清水平的关联仍存在变异性[1], [10]。因此，基于血清的评估仍然是准确医学评估和临床决策所必需的，而无创电解质检测最适合用于比较或时间序列追踪。因此，电解质监测的诊断金标准仍然依赖于基于血清的检测。
荧光和纳米粒子化学发光已被证明具有最低检测限；然而，它们通常依赖于复杂的光学装置、标记化学、复杂的样本制备和受控的实验条件，这可能会限制其在便携式和低成本系统需求中的使用[11]。基于纸的微流控器件（μPADs）[12], [13]和智能手机辅助设备[14], [15]已被开发为低成本便携式诊断的潜在替代方案。这些平台能够实现低样本用量、易于操作和快速分析，使其在即时检测应用中极具前景。然而，大多数器件受限于准确度、手动检测操作、流体流动不一致、中等偏高的检测限以及有限多重检测能力，这些因素可能阻碍其定量评估。基于等离子体和折射率传感的创新光学器件也已验证了超高灵敏度。尽管这些方法提供了卓越的诊断效能，但它们传统上依赖于间接传感机制，并需要全面的样本预处理和制备，限制了其在低成本和便携式临床环境中的应用。
光学和比色传感方法为传统电化学电解质传感器提供了一种有前景的替代方案[16]。通过利用特定的离子-试剂相互作用产生可测量的吸光度变化，光学方法可以消除对离子选择膜、参比电极和复杂电位电路的需求。尽管具有这些优势，光学电解质传感仍处于相对较少的探索阶段，特别是在血清样本中的多重检测方面。现有的光学方法通常局限于单一分析物、依赖单波长检测或需要笨重的分光光度仪器，从而限制了其向紧凑型即时检测格式的转化。
微型化光谱传感器的最新进展为利用紧凑型、固定波长光谱转导重新审视光学电解质检测提供了新的机遇[12]。与基于相机[17]或依赖滤光片的光学系统[18], [19]不同，光谱传感器可以在不进行机械波长选择的情况下捕获多波段吸光度信息，从而提高了对光照变化和试剂老化的鲁棒性。当与适当的比色化学结合时，此类光谱传感架构有望实现基于简单光学硬件的无电极、多重电解质光谱传感。尽管取得了这些进展，仍然需要一个传感平台，能够同时实现多重检测、低样本体积、最小用户干预、在生物样本中的稳健性能以及适合便携式部署的系统级集成。
因此，在本工作中，我们展示了一种用于人血清多重电解质分析的便携式光谱传感平台。所开发的平台能够在单一集成系统中检测多种电解质，包括钠、钾、钙、镁和磷，具有多模态光学传感能力，能够捕获吸光度、散射和光谱变化。该系统采用多通道光谱传感器进行波长分辨的吸光度检测，无需机械波长选择或笨重仪器即可实现光谱分析。采用立体光刻（SLA）3D打印技术制造了定制的光学反应微池（ORM），作为连续流比色皿，使测试样本通过光束以测量光密度。ORM采用基于珀尔帖-PID的热控制维持恒温，以确保稳定的化学反应动力学。通过将微型化光谱传感、光流体自动化和嵌入式控制集成到一个经验证的便携设备中，所开发的电解质传感平台具有强大的转化潜力，适用于农村地区现场部署。
章节摘要
所用化学试剂和材料
检测试剂购自印度那格浦尔的Trace Icon Enterprises，用于目标电解质的传感。钠的传感试剂包括磷鎓酸（Phosphonazo III）、三乙胺和二甲基亚砜。钾的试剂为四苯硼酸钠和氢氧化钠。钙的试剂包括羟基喹啉和砷azo（Arsenazo）。磷的试剂由钼酸铵和硫酸组成。镁的试剂由邻二亚苯基基蓝（Xylidyl Blue）和乙醇胺组成。
光谱传感器分析参数的优化
光程长度在估算光密度、信号强度、稳定性和电子噪声特性方面起着至关重要的作用。在使用去离子水作为参考样本的同时，有策略地对其进行变化以监测信号幅度和波动。最初，根据传感器数据手册选择了18毫米的光程；然而，它产生了较低的原始输出强度值（约3000个数字计数）。为了提高强度，增加了电子增益，然而
结论
已开发了一种用于人血清多重电解质传感的便携式微型化光谱传感平台。该设备将多光谱传感器与自动化光流体机制集成在一起，消除了对多波长滤光片的需求，展示了在统一光谱平台内实现多模态光学检测的能力。多光谱传感器和流体处理单元敏感参数的优化确保了可靠准确的
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知经济利益冲突或个人关系。
致谢
本工作由印度政府电子与信息技术部（MeitY）资助的Visvesvaraya电子与IT博士学位项目第二期提供支持。
Sangeeta Palekar | Jayu Kalambe | Ganesh C. Patil
