低成本纸基微流控POCT装置，基于近红外光谱实现体外血糖检测
2025-08-02 22:13:34 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这种低成本的基于近红外光谱的光学微流控POCT装置，用于在纸基微流控平台上进行体外血糖检测。未来还需要进一步研究以降低纸基底的纤维结构对葡萄糖测量质量的影响。
在过去的几十年里，即时检测（POCT）装置在疾病诊断方面变得越来越重要。POCT装置的应用之一是糖尿病患者的血糖检测。2000年，世界卫生组织报告称，有1.77亿人患有糖尿病，到2025年，这一数字将增加到3亿。应对这一全球健康挑战需要创新的解决方案，POCT技术在改善患者护理和管理方面继续发挥着至关重要的作用。
据麦姆斯咨询报道，近期，伊朗萨罕德科技大学（Sahand University of Technology）开发了一种低成本的基于近红外（NIR）光谱的光学微流控POCT装置，用于在纸基微流控平台上进行体外血糖检测。该装置是使用一种广泛应用于出版行业的紫外线（UV）固化树脂制成的，这种树脂被认为是光刻技术中常用的昂贵的SU-8光刻胶的低成本替代品。该POCT装置采用基于940 nm近红外LED和光电二极管的检测系统，可以实现非侵入性血糖水平测量。
研究人员仅使用3 µL样品对浓度范围为62.5-1000 mg/dL的葡萄糖进行了检测。为了评估光强度的影响，使用了三种不同的LED电流（0.5、0.75和1 mA），输出电压范围约为570-700 mV，并随着葡萄糖浓度的增加而降低，符合比尔-朗伯定律。回归模型的R²值高于97%，证实了该POCT装置的准确性及其在即时护理环境中实时、一次性、纸基微流控血糖监测的潜力。相关研究成果以“A Low-Cost Paper-Based Microfluidic POCT Device for In Vitro Glucose Sensing Using Near-Infrared Detection”为题发表在IET Science, Measurement & Technology期刊上。
在这项工作中，研究人员提出了一种改进的纸基微流控POCT装置的制造方法，该方法具有成本效益，特别是对于预算低的研究实验室，甚至对于大规模生产后的最终用户。本文所提出的制造工艺如下图所示。与传统的光刻工艺相比，所提出的方法利用一种容易获得的紫外光固化树脂代替昂贵的SU-8光刻胶。此外，与使用金属掩模的方法不同，所提出的方法利用在透明薄片上制作的光刻掩模。这消除了对昂贵的金属掩模的需求，进一步减少了整体制造时间和成本。
纸基微流控芯片的制造工艺
葡萄糖样品的光吸收峰大约在960 nm波长处。研究人员选用的近红外LED和PIN光电二极管的发射和接收范围波长为900-1000 nm，峰值波长为940 nm。为了测量样品中的葡萄糖，设计了一个透明的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）槽，以确保纸基微流控芯片正确地放置在近红外LED和PIN光电二极管之间。研究人员还设计了一种近红外发射电路和读出电路，并采用差分跨阻放大技术以减轻噪声和纸基底的固有变异性。
PMMA槽的爆炸分解图（左）和实际制造的PMMA槽（右）
近红外光发射电路和读出电路
所制造的POCT装置采用近红外光谱技术可实现血糖的非侵入检测。值得注意的是，近红外光谱此前已被用于葡萄糖检测，但尚未应用于纸基微流控领域。该装置仅使用3 µL样品对浓度范围为62.5-1000 mg/dL的葡萄糖进行了检测。为了评估光强度的影响，施加了三种不同的LED电流（0.5、0.75和1 mA）。输出电压范围约为570-700 mV，并随着葡萄糖浓度的增加而降低，这一现象符合比尔-朗伯定律。
不同LED电流下葡萄糖浓度的输出测量电压
总而言之，研究人员介绍了一种改进的纸基微流控芯片制造方法，该方法使用出版行业常见的UV固化树脂，为SU-8等传统光刻胶提供了一种低成本且易于获取的替代品。所开发的纸基微流控芯片可用于POCT血糖检测。设计了近红外光发射电路和读出电路，并采用差分跨阻放大技术，以降低噪声和纸基底的固有变异性。利用比尔-朗伯定律，建立了葡萄糖浓度与输出电压之间的可量化关系。从实验数据中推导出插值方程和回归模型，以实现血糖水平的预测分析。这些研究结果表明，该纸基微流控芯片适用于经济高效的的现场血糖监测。
未来还需要进一步研究以降低纸基底的纤维结构对葡萄糖测量质量的影响。此外，未来的研究应侧重于用真实的人体体液验证该POCT装置，以评估其它生物成分对血糖水平测量的影响，并建立临床相关性。最后，通过减小其尺寸并将其整合到便携式或无线诊断系统中，该平台有望在广泛的临床范围内得到应用，以改善糖尿病管理的可及性，并实现非集中的实时患者血糖监测。
论文链接：https://doi.org/10.1049/smt2.70019
延伸阅读：