汗液乳酸传感器设计与性能分析

王洋洋，徐晓龙，宋成君，咸婉婷，刘继江

(中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150028)

0 引 言

乳酸是血液中的葡萄糖或糖原在无氧或缺氧条件下生成的一种代谢物[1]。当人体进行剧烈运动时，体内就会生成大量的乳酸，来不及分解的乳酸堆积在体内会对人体造成伤害[2,3]。同时，对乳酸进行监测可以反映人体的疲劳程度，通过监测乳酸含量能够监控运动员的运动量及新陈代谢状况，从而对运动状态进行调整，使得训练方式变得更为有效[4，5]。因此，乳酸的检测在医疗、体育运动等领域具有重要意义。

乳酸的检测方法主要通过血液进行有创的取样，使用设备分析表明，这种方法的缺点一是有创，二是无法进行实时监测。因汗液中含有乳酸等生理代谢产物[6]，且汗液可实现无创采集，易于对人体生理信息进行实时监测，是新一代可穿戴健康监测领域的重要发展方向[7，8]。美国德克萨斯大学的Lin K C等人已经基于氧化石墨烯设计并制作了一种微型化的汗液乳酸传感器，检测限为2.7 μmol/L，具有良好的长期稳定性[9]。同时，国外也有大量汗液乳酸检测传感器推向健康检测产品市场，而目前，国内汗液乳酸传感器尚在实验室阶段，无成熟产品问世[10]。

本文制备了针对汗液中乳酸的柔性可穿戴生理信息传感器，采用生物电化学原理，通过柔性敏感单元与柔性电路的设计，实现了传感器的可穿戴，为未来与智能腕带集成提供了技术储备。

1 原理与实验

1.1 检测原理

汗液中的乳酸的检测采用生物催化原理。生物电化学酶传感器，是由生物酶膜和电化学电极组合而成的生物电流型传感器。因酶具有分子识别，并具有特殊三维空间构象的功能化蛋白质，对基底物具有特异性催化能力，因此，酶传感器可以实现对待测样品的选择性分析。本文制备了介体型酶生物电极。采用这种方法制备的生物分子传感器，输出稳定较好，酶不易失活。

介体型酶电极含有电子媒介体的化学修饰层和酶膜层，电子媒介体具有良好的电催化活性，在催化还原过程中，首先与还原性的酶反应，然后扩散到金(Au)电极表面并进行电子交换。这种电极的优势是不依赖于溶解氧、灵敏度高、消除其他电活性物质在检测过程中对LOX干扰。电子媒介体能够促进电子传递过程，减小噪声、背景电流和干扰信号。本文采用的电子媒介体为铁氰化物。

具体反应过程如下：

酶层：LOX(ox)+乳酸 →丙酮酸 + LOX(red)

修饰层：LOX(red)+ M(ox)→LOX+M(red)

电极：M(red)→M(ox)+ ne-

式中 LOX(ox)：乳酸氧化酶(氧化态),M(ox)：铁氰化物(氧化态),LOX(red)：乳酸氧化酶(还原态)，M(red)：铁氰化物(还原态)。

检测单元结构设计如图1。

图1 乳酸传感器结构示意

1.2 传感器的制备

1)柔性电极的设计和制作

实验在聚酰亚胺(PI)衬底上制备了柔性Au电极用于电信号的检出。制备过程如图2。a.刻蚀凹槽：采用PI作为柔性传感器的基底材料，刻蚀凹槽用于制作反应单元，后续在凹槽内沉积Au电极及制备敏感层。具体：在PI上蒸镀铝膜作为掩模，光刻后出所需图形，再通过干法刻蚀完成凹槽制作，深度控制在20～30 μm。b.柔性Au电极制作：采用蒸发的方法制备了柔性Au电极，在掩模的保护下将Au通过热蒸发沉积在PI上，厚度约(3 000～5 000)×0.1 nm，形成均匀的金属薄膜。c.在金电极上制备功能性敏感膜层，完成柔性可穿戴汗液乳酸传感器敏感单元制作。

图2 柔性电极制备过程

2)介体层和敏感膜的制作

采用电化学沉积的方法在柔性Au电极上沉积介体层，然后在介体层上滴加敏感酶溶液，经低温干燥固化得到敏感酶生物电极。使用电化学工作站，在含有3 mmol/L FeCl3,50 mmol/L KCl,3 mmol/L K3Fe(CN)6,50 mmol/L HCl的溶液中，采用循环伏安法扫描周期10周，扫描速率为50 mV·s-1，扫描电压为-0.5～0.6 V，将铁氰化物介体层沉积到Au电极上。介体层的作用是参与酶促反应，提高传感器的稳定性。

乳酸敏感膜的制备具体过程为：将添加了乳酸氧化酶/碳纳米管/壳聚糖溶液滴加到铁氰化物/Au电极上(乳酸氧化酶40 g·L-1)，在4 ℃环境中无光照干燥，实验讨论了酶的用量。本文为了提高传感器测试准确性，制作了多路乳酸敏感生物酶膜电极，检测数据取平均值，传感器以Ag/AgCl为参比电极，Au电极为对电极,如图3所示。

图3 汗液乳酸传感器

1.3 传感器性能测试

采用美国FEI公司INSPECT—S50型扫描电子显微镜对铁氰化物介体层的微观表面形貌(SEM)进行分析测试。

使用瑞士万通公司生产的AutoLab302N电化学工作站，采用计时电流法考察乳酸传感器的浓度—输出电流曲线，对传感器线性、灵敏度进行考察。

2 结果与讨论

2.1 微观形貌分析

图4为铁氰化物介体层表面的微观形貌。电沉积的介体层表面疏松，分布较多的孔隙，具有大的比表面积，提高敏感材料与乳酸的接触面积，降低传感器的检测下限，提高传感器灵敏度。实验表明：在柔性Au电极上沉积铁氰化物介体层与基底Au电极具有良好的结合力和优异的电化学性能。

图4 铁氰化物介体层表面形貌分析

2.2 乳酸氧化酶用量对传感器性能影响分析

实验对乳酸氧化酶的用量进行了优化，在化学修饰电极表面分别滴涂0，0.3，0.6，0.9，1.2 μL乳酸氧化酶(40 g·L-1)溶液，并采用计时电流法考察了传感器在2 mmol/L乳酸溶液中的电流响应。如图5所示，随着滴加量增加，传感器对于乳酸的电流响应急剧上升。而当酶量从0.6 μL进一步增加到1.2 μL，传感器的电流信号变化并不大，0.9 μL左右达到峰值，由于酶用量增大到一定程度时,底物成为限制因素酶促反应速率不再增加，因此,选择酶的用量为0.9 μL。

图5 乳酸氧化酶用量对传感器性能影响

2.3 传感器输出特性分析

图6为传感器浓度与输出电流关系曲线。采用计时电流法考察了乳酸生物电极在不同浓度乳酸溶液中的电位响应，将选择性电极分别置于(5～25)mmol/L的乳酸溶液中，如图分析可知，随着溶液中乳酸浓度的增加传感器输出的电流增大。传感器在检测范围内线性较好，工作曲线方程为y=1.097x-35.87，传感器线性精度为1.85 %FS，线性相关系数为0.960 1。

图6 传感器的浓度—输出电流关系曲线

2.4 传感器选择性分析

乳酸传感器的抗干扰能力测试如图7。从图中可以看到，5 mmol/L尿素，0.4 mmol/L葡萄糖，0.2 mmol/L尿酸和0.01 mmol/L抗坏血酸产生的干扰信号与5 mmol/L乳酸产生的电流信号相比，前者明显要小得多。说明这些汗液中常见的代谢产物对乳酸传感器的影响非常有限，制备的乳酸传感器具有良好的抗干扰能力。

图7 传感器选择性分析实验

3 结 论

本文采用电化学沉积的方法在柔性Au电极上制备了一种应用于汗液中乳酸检测的生物电化学传感器。实验在PI柔性衬底上制备了Au电极，采用高分子材料复合乳酸特异性氧化酶，实现了乳酸的选择性检测。本文设计的传感器具有柔性可穿戴、选择性好、检测限低、线性好的特点。