Biosensors&Bioelectronics：多功能激光诱导石墨烯电路和激光打印纳米材料用于无创人体肾脏功能监测

背景介绍

肾脏是人类的重要器官。不幸的是，随着人口老龄化和糖尿病、高血压等疾病的高发，慢性肾脏疾病的患病率逐年上升。据估计，全球约有8.43亿人患有慢性肾脏疾病，慢性肾脏疾病已成为一种常见的非传染性疾病，危害人类健康和生活质量。现有的临床医生使用尿素、肌酸酐和其他来自血液抽取方法的生物标志物来检查肾衰竭患者的状态。然而，为患者提供足够频繁的肾功能监测是一项挑战。而汗液含有丰富的生物标志物信息，可用于临床诊断。

近期，香港科技大学李桂君教授课题组报道了肾脏无创监测相关成果以“多功能激光诱导石墨烯电路和激光打印纳米材料用于无创人体肾脏功能监测”（Multifunctional laser-induced graphene circuits and laser-printed nanomaterials toward non-invasive human kidney function monitoring）为题发表在Biosensors and Bioelectronics上（DOI: 10.1016/j.bios.2024.116386）。

研究的主要内容介绍

该工作开发了钾离子和肌酐/乳酸两种传感工作电极，并与激光诱导的具备亲水-疏水界面的激光诱导石墨烯电路和自制的具备OCPT和DPV功能的便携式电化学工作站组装，得到便携式的无创肾脏监测传感器。采用了两步激光材料转移方法（激光诱导背向和正向转移）结合机械臂制备用于肌酐/乳酸传感工作电极的制备。便携式肾功能监测传感器示意图如下（图一）。

图一 便携式肾功能监测传感器示意图

采用激光诱导的具备亲水-疏水界面的激光诱导石墨烯电路用于制备平面三电极电路（图二）。激光可以在聚酰亚胺基底上分别诱导生成亲水的疏水的石墨烯，使得三电极传感区域亲水，而电路部分疏水。这样的设计可以使汗液吸附在传感区域，防止汗液向电路部分倒流造成信号干扰。基于该技术，开发了用于钾离子传感（OCPT通道）的两电极电路，和用于肌酐/乳酸传感（DPV通道）的具备开尔文补偿功能的三电极电路。开尔文补偿功能可以减少石墨烯本身电阻带来的电压降。

图二 亲水-疏水界面的激光诱导石墨烯电路的制备

除此之外，在本课题组之前工作的基础上，还设计并开发了具备OCPT和DPV双功能的双通道便携式电化学工作站，如下图所示（图三）。

图三 自制双通道便携式电化学工作站

最终，用于钾离子传感（OCPT通道）的两电极电路，和用于肌酐/乳酸传感（DPV通道）的具备开尔文补偿功能的三电极电路，与自制双通道便携式电化学工作站组装得到便携式肾脏功能监测汗液传感器（图四）。该传感器在受试志愿者汗液钾离子监测中展现出出色的性能。

图四 组装的便携式汗液传感器用于受试志愿者汗液钾离子监测

小结

这项工作展示了一种便携式钾离子和肌酐/乳酸汗液传感器，用于监测人体肾功能。激光和自动模块的结合使得传感器的制造能够快速简化。开发了一种具有亲水-疏水界面的图案化激光诱导石墨烯传感电路，包括两电极电路和三电极开尔文补偿连接LIG电路。为了实现便携式监测，开发了一种具有OCPT和DPV功能的经济高效的便携式双通道电化学工作站。最终组装的传感器在监测人体汗液中的钾离子方面表现出优异的性能。通过使用激光与自动化模块相结合的快速制造，这种方法可以与大规模制造设备（如卷对卷系统）相结合，实现传感器的快速大规模制造，这是便携式肾功能监测的一种有前途的解决方案。