中国工程院食品安全院士团队

科研成果转化平台

引言：医疗检测的痛点与突破

在临床诊断中，血清钾浓度检测对心血管疾病、慢性肾病等患者的健康管理至关重要。然而，传统检测技术如光谱分析、离子选择性电极（ISE）等，往往依赖昂贵仪器、操作复杂，且样本需求量大。如何在保证精度的前提下实现快速、微量、便捷的检测，一直是医学界的技术难点。

近日，四川大学研究团队在《Advanced Functional Materials》发表重磅成果，成功开发出一种新型智能水凝胶应变传感器，仅需一滴血清（16μL），即可在2分钟内完成钾浓度的精准定量检测！这项技术不仅突破了现有方法的局限，更在抗干扰性、重复检测性能上表现卓越，为医疗检测领域带来革新希望。

技术原理：水凝胶+应变传感器，如何实现“超灵敏”检测？

1. 智能水凝胶的“特异识别”能力
研究团队设计的聚（N-异丙基丙烯酰胺-共-苯并-15-冠-5-丙烯酰胺）（PNB）水凝胶，内部嵌有可特异性识别钾离子的15-冠-5单元。当血清中的钾离子（K⁺）与冠醚结合时，水凝胶网络迅速收缩，产生微小形变。

2. 应变传感器“放大”信号
水凝胶的形变通过粘附的聚酰亚胺（PI）电阻应变片转化为电信号变化。研究通过硅烷偶联剂修饰基板，大幅提升水凝胶与应变片的结合强度，确保信号传输稳定。此外，引入Laponite XLG纳米片作为物理交联剂，降低了水凝胶网络的空间阻力，使钾离子扩散速度提升，响应时间缩短至2分钟。

四大技术优势：为何它值得关注？

✅ 超快速：2分钟出结果，效率提升10倍
传统检测需复杂预处理和长时间等待，而该传感器在接触血清后，2分钟内即可达到稳定信号。连续检测时，即使钾浓度阶梯变化，传感器仍保持快速响应，适合急诊场景。

✅ 超微量：仅需16μL血清，儿童、危重患者更友好
通过优化水凝胶厚度（0.3mm）与传感器结构，仅需一滴血清（16μL）即可覆盖检测区域，大幅减少采样痛苦，尤其适用于新生儿或血样稀缺的患者。

✅ 强抗干扰：复杂血清环境“稳如泰山”
血清中高浓度的钠（Na⁺）、钙（Ca²⁺）、镁（Mg²⁺）等离子对检测结果影响极小。这得益于15-冠-5单元对钾离子的高选择性结合（稳定常数达10⁴级别），确保检测结果精准可靠。

✅ 高重复性：12次循环检测，性能不衰减
传感器在0-5mM钾溶液间反复切换，信号变化稳定，且机械强度优异（拉伸应变达603%），可长期重复使用，降低医疗成本。

应用前景：从临床到食品安全，潜力无限

1. 临床诊断：即时检测（POCT）的新利器
该传感器可集成于便携设备，用于急诊室、社区医院甚至家庭场景，实时监测患者血钾水平，预防心律失常等危急状况。

2. 食品安全：快速筛查“隐形风险”
钾离子含量是食品防腐剂检测的重要指标。未来，通过替换水凝胶中的冠醚类型，该技术可拓展至钠、铅等离子的检测，为食品安全保驾护航。

3. 环境监测：污水重金属“无处遁形”
研究团队指出，通过调整水凝胶功能单元，可开发针对特定污染物的传感器，助力环境监测的智能化和高效化。

结语：开启医疗检测的“水凝胶时代”

这项研究不仅攻克了血清钾检测的技术瓶颈，更为智能传感器设计提供了新范式。随着材料科学与微电子技术的融合，未来或将涌现更多“一滴检测”的黑科技，让精准医疗触手可及。

图1. 智能水凝胶应变传感器的 a) 制备过程示意图及 b) 传感检测原理示意图。该传感器通过一滴血清即可实现血液钾浓度的高效定量检测

图 2. 水凝胶与聚酰亚胺（PI）基底之间结合强度的表征

图 3. 在 32°C 下用 1% L-XLG 制备的水凝胶应变传感器的抗干扰和重复检测性能

参考文献：Oh E, Andrews KJ, Jeon B. Front Microbiol. 2018;9:1204.

来源：微生物安全与健康网，作者~曹璐璐。