将宏系统与微系统连接起来进行在线检测在不同的生物技术过程中非常重要，因为其可以在小尺度上实现过程参数的精准监测，并最终改进过程控制和优化方案。此外，它还允许对样本进行连续监测，而无需人工采样和分析，从而提高生产效率和成本效益。
据报道，近期，来自塞尔维亚诺维萨德大学(University of Novi Sad)的研究人员提出了一种用于液体分析物中葡萄糖传感的3D打印微流控(MF)芯片。该微流控芯片由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制备而成，并且集成了利用立体光刻(SLA)工艺制造的蛇纹微混合器以及用于商用DropSens电极的USB式集成的插槽。该微流控芯片显示出与生物反应器等宏系统连接的巨大潜力，可以直接在线监测液体样品中的质量参数。相关研究成果以“3D-Printed Microfluidic Chip for Real-Time Glucose Monitoring in Liquid Analytes”为题发表在 Micromachines 期刊上。
图1 利用3D打印微流控(MF)芯片对液体分析物中葡萄糖进行检测的概念示意图
图2 (a)微流控芯片的多层结构;(b)利用立体光刻(SLA)工艺打印的微流控通道的三维剖面;(c)集成DropSens传感器的微流控芯片
在集成DropSens传感器的微流控芯片中，随着微流体的流动，葡萄糖分子在化学反应中被葡萄糖氧化酶(GOx)氧化。在一定时间内与目标介质完全混合后，反应的副产物过氧化氢(H ₂O ₂)被氧化，在一定电压下产生电化学信号。该研究中使用的丝网印刷工艺制造的三电极系统集成在微流控芯片内，采用金(Au)工作/对电极和银/氯化银(Ag/AgCl)参比电极，并且在0.9 V电压左右具有H ₂O ₂氧化峰。利用循环伏安法(CV)进行电化学检测，结果如图3所示。可以看出，H ₂O ₂的生成量随着葡萄糖浓度的增加而增加，从而导致输出电流呈指数增长。
图3 微流控芯片中葡萄糖的电化学检测结果
图4 (a)细胞培养基中不同浓度葡萄糖的计时电流检测结果，插图为用醋酸和酶稀释的培养基中葡萄糖检测的校准曲线;(b)在微流控芯片进样处的细胞培养基中葡萄糖浓度检测的校准曲线
总体而言，本项研究所提出的3D打印微流控芯片在不同的生物医学应用中有几个潜在的优点。首先，血液中的葡萄糖浓度是监测血糖水平最广泛使用的指标，正常的血糖水平在0.7 mg/mL到1 mg/mL之间，高于这个水平可能表明患有糖尿病或其他潜在的疾病。唾液中也含有葡萄糖，但与血液相比，其浓度要低得多，通常在5 × 10⁻⁴ mg/mL ~ 10⁻³ mg/mL之间。唾液中的葡萄糖浓度不仅用于监测血糖水平的变化，也用于一些诊断测试。此外，尿中葡萄糖的浓度随血糖水平的变化而变化，根据血糖水平的不同，其范围为0 ~ 0.20 mg/mL或更高。该研究中所提出的微流控芯片的检测范围可以覆盖以上浓度范围，因此，它可以用于这些液体样品中葡萄糖浓度的检测。
此外，由于该微流控芯片的流体系统的设计，葡萄糖氧化酶不需要与固体介质一起固定在基于金电极的传感器表面上，这一点是至关重要的，因为其可以免除一段时间操作后出现的冲洗问题。其次，该研究所提出的微流控芯片可以自动获取样本，而无需人工采样，并且可以对样本进行实时检测。此外，作为一种在线传感器，该研究所提出的微流控芯片可以监测细胞培养基中的营养物质，同时防止采样过程中培养基的潜在污染。最后，该研究所提出的微流控芯片可以根据pH值调整反应过程，因此可以应用于细胞培养过程中葡萄糖和pH值随时间变化的在线检测中。
综上所述，该研究提出了一种新型的3D打印微流控芯片，该芯片集成了蛇纹微混合器和电化学传感器，用于检测液体分析物中葡萄糖浓度。该芯片具有样品和试剂用量少、灵敏度高、线性响应好等特点。因此，该3D打印微流控芯片显示了在生物反应器等宏系统中直接在线监测葡萄糖浓度和pH值随时间的变化的巨大潜力。所提出的平台在利用微系统监测宏系统(如生物反应器)相关参数的过程中具有很高的应用潜力。
