近几十年来，隐形眼镜传感器作为即时诊断（point-of-care，POC）器件，在医疗保健领域用于眼部生理状况监测和诊断正在兴起。荧光传感技术由于其准确性、高灵敏度和特异性，已被广泛应用于隐形眼镜传感器。
据麦姆斯咨询报道，近日，帝国理工学院（Imperial College London）、四川大学和重庆金凤实验室的研究人员组成的团队在Biosensors and Bioelectronics期刊上发表了题为“Contact lens sensor for ocular inflammation monitoring”的论文，开发了一种结合BSA-Au纳米簇（NC）探针的荧光隐形眼镜传感器，用于原位检测泪液中的抗坏血酸（AA）。研究人员首先合成了NC以获得荧光探针，该探针通过淬灭/恢复（KMnO₄/AA）过程表现出较高的可重复使用性。然后探针被封装在15 wt%的聚乙烯醇（PVA）和1.5 wt%的柠檬酸（CA）薄膜中，并被置于封闭的微流控隐形眼镜传感区域。
隐形眼镜传感器中激光烧蚀的微流控通道可使泪液流经传感区，从而实现AA的原位检测。同时，研究人员还开发了一款配有定制3D打印读数盒的智能手机应用程序（App），用于图像说明和对AA水平进行定量分析的算法实现。隐形眼镜传感器测试在读数盒内进行，发射信号在室温下通过智能手机摄像头收集，达到的检测限（LOD）为0.178 mmol/L（0.0 – 1.2 mmol/L）。为了确定传感器的特性，研究人员还对其运行和储存寿命进行了评估，结果分别为20小时和10天。本研究所开发的可重复使用的AA隐形眼镜传感器有望为眼部炎症的即时诊断提供一种替代解决方案。
研究人员开发了一种可重复使用的荧光隐形眼镜传感器，用于检测泪液中AA，以诊断炎症性干眼症（DED）。最初的目的是集中研究和广泛探索BSA-Au NC的荧光特性，并采用适当的淬灭过程（KMnO₄）来实现泪液中AA的可逆检测（图1A），以用于炎症性DED的监测和诊断。该传感器采用荧光开-关-开（on-off-on）模式来检测AA的变化（图1A）。BSA-Au NC首先在缀合反应下合成，并在三羟甲基氨基甲烷（TRIS）缓冲液中进行优化。这些NC被用作荧光探针以表明传感器可用于AA检测。研究人员使用高锰酸钾（KMnO₄）和AA对淬灭/恢复（荧光关-开）条件进行了优化。然后，FOBA品牌的脉冲激光器被用于在隐形眼镜上制造收集和分析泪液的微流控通道。所制造的带有微流控通道的隐形眼镜传感器用于收集泪液，并通过与智能手机应用程序集成的定制读数盒来定量分析眼泪中的AA含量（0.0 - 1.4 mmol/L）。
图1 AA检测流程概述
研究人员首先评估了BSA-Au NC在TRIS缓冲液（10 mmol/L）中的传感性能，接着利用泪液中的平均AA含量（0.8 mmol/L）来进一步表征荧光传感器，如图2所示。
图2 AA检测和其在TRIS缓冲液（10 mmol/L）中的优化
在TRIS缓冲液中对AA荧光传感器进行优化后，研究人员将其封装到微流控隐形眼镜中，接着对其进行了表征，如图3所示。与单次使用的试纸相比，该传感器在检测限、稳定性和泪液中的选择性方面具有各种优势。
图3 微流控隐形眼镜AA传感器的制备和表征
为实现隐形眼镜上AA的即时诊断检测和评估，研究人员设计了一个尺寸为6.2 cm × 5.2 cm × 6.5 cm的定制的暗读数盒（图4A）。为了实现个性化即时诊断，他们还开发了一个用于荧光信号分析的智能手机应用程序，图像处理算法流程图如图4B所示。在用户界面（图4C）上，所有用户都可通过一个欢迎页面访问该应用程序，并可以使用智能手机嵌入式摄像头拍摄实际图片，也可以通过“TEST”按钮上传先前保存的文件中的图片。研究人员对传感器的运行和储存寿命进行了评估，结果分别为20小时和10天，如图4E和4F所示。
图4 用户界面设计和使用智能手机摄像头的泪液AA评估
综上所述，本研究开发了一种用于检测泪液中抗坏血酸的可重复使用的荧光隐形眼镜传感器。在此过程中，研究人员对BSA-Au NC的合成条件、KMnO₄淬灭优化以及TRIS缓冲液中的AA传感器检测进行了研究和优化。校准曲线的LOD值为0.13 mmol/ L，与商用比色条（LOD = 0.23 mmol/L）相当。通过不同的交联工艺对NC的封装进行了优化，15 wt% PVA 与1.5 wt% CA的交联效果更好，泄漏率低于5%，LOD达到0.066 mmol/L。结合内置LED的3D打印读数盒，研究人员开发了用于荧光信号分析的智能手机应用程序，并对传感器的运行和存储寿命进行了研究。经校准，该传感器的LOD值为0.178 mmol/L。所开发的传感器在为患者个性化检测泪液中的AA方面具有优势，其最终达到的LOD值有望为眼科领域未来的临床诊断和研究提供一个前景广阔的即时诊断平台。
这项研究获得了英国工程和自然科学研究委员会（EPSRC）项目（EP/T013567/1）、中国中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（no. YJ202152）和重庆金凤实验室项目（jfkyjf202203001）的资助和支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116003
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《3D打印材料技术及市场-2022版》
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《小型、微型和芯片级光谱仪技术及市场-2020版》
