在過去的幾十年里，即時檢測（POCT）裝置在疾病診斷方面變得越來越重要。POCT裝置的應用之一是糖尿病患者的血糖檢測。2000年，世界衛生組織報告稱，有1.77億人患有糖尿病，到2025年，這一數字將增加到3億。應對這一全球健康挑戰需要創新的解決方案，POCT技術在改善患者護理和管理方面繼續發揮著至關重要的作用。
據麥姆斯咨詢報道，近期，伊朗薩罕德科技大學（Sahand University of Technology）開發了一種低成本的基于近紅外（NIR）光譜的光學微流控POCT裝置，用于在紙基微流控平臺上進行體外血糖檢測。該裝置是使用一種廣泛應用于出版行業的紫外線（UV）固化樹脂制成的，這種樹脂被認為是光刻技術中常用的昂貴的SU-8光刻膠的低成本替代品。該POCT裝置采用基于940 nm近紅外LED和光電二極管的檢測系統，可以實現非侵入性血糖水平測量。
研究人員僅使用3 μL樣品對濃度范圍為62.5-1000 mg/dL的葡萄糖進行了檢測。為了評估光強度的影響，使用了三種不同的LED電流（0.5、0.75和1 mA），輸出電壓范圍約為570-700 mV，并隨著葡萄糖濃度的增加而降低，符合比爾-朗伯定律。回歸模型的R2值高于97%，證實了該POCT裝置的準確性及其在即時護理環境中實時、一次性、紙基微流控血糖監測的潛力。相關研究成果以“A Low-Cost Paper-Based Microfluidic POCT Device for In Vitro Glucose Sensing Using Near-Infrared Detection”為題發表在IET Science, Measurement & Technology期刊上。
在這項工作中，研究人員提出了一種改進的紙基微流控POCT裝置的制造方法，該方法具有成本效益，特別是對于預算低的研究實驗室，甚至對于大規模生產后的最終用戶。本文所提出的制造工藝如下圖所示。與傳統的光刻工藝相比，所提出的方法利用一種容易獲得的紫外光固化樹脂代替昂貴的SU-8光刻膠。此外，與使用金屬掩模的方法不同，所提出的方法利用在透明薄片上制作的光刻掩模。這消除了對昂貴的金屬掩模的需求，進一步減少了整體制造時間和成本。
紙基微流控芯片的制造工藝
葡萄糖樣品的光吸收峰大約在960 nm波長處。研究人員選用的近紅外LED和PIN光電二極管的發射和接收范圍波長為900-1000 nm，峰值波長為940 nm。為了測量樣品中的葡萄糖，設計了一個透明的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）槽，以確保紙基微流控芯片正確地放置在近紅外LED和PIN光電二極管之間。研究人員還設計了一種近紅外發射電路和讀出電路，并采用差分跨阻放大技術以減輕噪聲和紙基底的固有變異性。
PMMA槽的爆炸分解圖（左）和實際制造的PMMA槽（右）
近紅外光發射電路和讀出電路
所制造的POCT裝置采用近紅外光譜技術可實現血糖的非侵入檢測。值得注意的是，近紅外光譜此前已被用于葡萄糖檢測，但尚未應用于紙基微流控領域。該裝置僅使用3 μL樣品對濃度范圍為62.5-1000 mg/dL的葡萄糖進行了檢測。為了評估光強度的影響，施加了三種不同的LED電流（0.5、0.75和1 mA）。輸出電壓范圍約為570-700 mV，并隨著葡萄糖濃度的增加而降低，這一現象符合比爾-朗伯定律。
不同LED電流下葡萄糖濃度的輸出測量電壓
總而言之，研究人員介紹了一種改進的紙基微流控芯片制造方法，該方法使用出版行業常見的UV固化樹脂，為SU-8等傳統光刻膠提供了一種低成本且易于獲取的替代品。所開發的紙基微流控芯片可用于POCT血糖檢測。設計了近紅外光發射電路和讀出電路，并采用差分跨阻放大技術，以降低噪聲和紙基底的固有變異性。利用比爾-朗伯定律，建立了葡萄糖濃度與輸出電壓之間的可量化關系。從實驗數據中推導出插值方程和回歸模型，以實現血糖水平的預測分析。這些研究結果表明，該紙基微流控芯片適用于經濟高效的的現場血糖監測。
未來還需要進一步研究以降低紙基底的纖維結構對葡萄糖測量質量的影響。此外，未來的研究應側重于用真實的人體體液驗證該POCT裝置，以評估其它生物成分對血糖水平測量的影響，并建立臨床相關性。最后，通過減小其尺寸并將其整合到便攜式或無線診斷系統中，該平臺有望在廣泛的臨床范圍內得到應用，以改善糖尿病管理的可及性，并實現非集中的實時患者血糖監測。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1049/smt2.70019
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