3D打印Mg2+电位传感器集成到微流控装置用于生物分析-北京永康乐业科技发展有限公司

研究背景：

镁离子（Mg²⁺）是人体中第四丰富的阳离子，也是细胞内第二丰富的阳离子，参与了300多种酶促反应。它对蛋白质和核酸的合成、细胞代谢以及心血管和神经肌肉系统的正常功能至关重要。尽管Mg²⁺在人体生理过程中扮演着如此重要的角色，但在临床实践和医学文献中，它并没有得到应有的重视，常规的实验室检测通常不包括血清Mg²⁺浓度的测定。

低镁血症（血液中镁离子水平低于0.75mmol/L）会导致震颤、抑郁、脑病、癫痫、心律失常和心电图变化等症状，并与重症监护病房患者的高死亡率和延长住院时间相关。由于体内大部分镁离子储存在肌肉、软组织和骨骼中，血清中仅含有0.3%的镁离子，导致检测体内镁离子水平面临挑战。传统的检测方法，如24小时尿镁排出量测定或镁负荷试验，虽然能够提供一定的信息，但过程复杂且耗时。

为了克服这些挑战，研究人员探索了多种分析方法和传感器技术，包括高效液相色谱（HPLC）、电化学传感器、光学传感器、比色和荧光化学传感器。电化学传感器因其高重现性、选择性、灵敏度和成本效益，在分析化学中发挥着关键作用。这类传感器和电极的多功能性，有助于检测从离子到有机分子的各种分析物，为临床诊断和生物分析提供了有力的工具。

导读：

近期，华盛顿州立大学化学系的研究人员设计并制造了一种3D打印Mg²⁺电位传感器，将其集成到3D打印微流体装置中，用于定量低样本量生物液体中的Mg²⁺。相关研究以“Integration of 3D Printed Mg2+ Potentiometric Sensors into Microfluidic Devices for Bioanalysis”为题目，发表在期刊《Lab on a Chip》上。

本文要点：

1、本研究开发了一种3D打印Mg²⁺电位传感器，并将其集成到微流控设备中，用于低样本体积生物流体中Mg²⁺的定量。

2、该传感器采用一种功能化的3D打印光固化甲基丙烯酸酯基离子选择性膜，固定在碳网/环氧树脂固体接触传感器上，以选择性测定汗液、唾液和尿液中的Mg²⁺。

3、3D打印的Mg²⁺离子选择性电极（3Dp-Mg²⁺-ISE）提供了27.5mV/decade的能斯特响应，线性范围为10mM至39μM，涵盖了生物流体中Mg²⁺的正常生理和临床相关水平。

5、3Dp-Mg²⁺-ISEs可选择性地测量Mg²⁺，而非生物中存在的其他阳离子（钠、钾、钙、铵），而且分析信号稳定性高，10小时内漂移仅为13μV/hr。

6、与基于聚氯乙烯的Mg²⁺-ISEs相比，3Dp-Mg²⁺-ISEs在稳定性、抗生物污染方面具有明显优势，更重要的是，它为大规模生产选择性可靠的传感器提供了一种简便、快速的方法。

全文总结/概括：

使用3D打印的Mg²⁺离子选择性电极与传统的基于聚氯乙烯（PVC）的电极相比，具有以下优势：

1、稳定性提升：3D打印的Mg²⁺电极在长时间内显示出更好的电位稳定性，漂移极小，这对于连续监测Mg²⁺水平至关重要。

2、抗生物污染能力更强：3D打印的电极在接触汗液、唾液和尿液等生物流体后，能够保持较好的性能，而PVC基电极可能会因生物污染导致响应偏移。

3、更宽的线性检测范围：3D打印的Mg²⁺电极提供了一个更宽的线性范围，覆盖生物流体中Mg²⁺的正常生理和临床相关水平，从而提高检测的准确性和可靠性。

4、制造效率提升：与制备PVC基ISE的传统滴铸方法相比，3D打印技术实现了快速原型制造和定制化设计，简化了生产流程，提高了制造速度，并确保了产品的精确度。

5、易于集成到微流控设备：3D打印的电极可以方便地集成到3D打印的微流控设备中，有助于实现小样本体积的分析和多重检测的自动化。

6、成本效益优化：通过减少材料浪费和快速调整设计，3D打印技术有助于降低制造成本，同时满足多样化的应用需求。

7、改善的亲水性：3D打印的离子选择性膜相比PVC基膜具有更低的亲水性，这有助于减少生物污染，提高电极的耐用性和可靠性。

图1.3Dp-Mg²⁺-ISE集成到微流控装置中的示意图。

图2.Ai.3Dp-Mg²⁺-ISE对1:1稀释的10mM Mg²⁺溶液的电动势响应时间序列。Aii.3Dp-Mg²⁺-ISE对Mg²⁺的响应在10mM-39μM浓度范围内呈线性，斜率为27.5mV/decade。Bi.PVC-Mg²⁺-ISE对1:1稀释的10mM Mg²⁺溶液的电动势响应时间序列数据。Bii.PVC-Mg²⁺-ISE对Mg²⁺的响应在10mM-156μM浓度范围内呈线性，斜率为26.9mV/decade。误差条代表三个独立Mg²⁺-ISE的标准偏差。