四川大学褚良银、潘大伟等《AFM》：一滴血2分钟破译“钾密码”！

导语： 钾离子（K ⁺ ） 是人体里的“娇气宝贝”——其浓度多0.1mM，心脏可能玩“速度与激情”；少0.1mM，肌肉立马变“罢工咸鱼”。检测血液中的钾离子浓度，就像给身体的“电路系统”做安检，保障神经与肌肉的“电流”顺畅，活力满格不“跳闸”！传统检测方法像老式监控探头：抽血疼、等结果比追剧还煎熬，关键时刻总错过“犯罪现场”。为实现血液中钾离子浓度的快速高效定量检测，四川大学褚良银、潘大伟团队开发出了一种聚（ N -异丙基丙烯酰胺- 共 -4-丙烯酰胺苯并-15-冠-5）（PNB）水凝胶应变传感器，给水凝胶装上“特工装备”，化身007，从一滴血里揪出潜伏的“血钾刺客”，演一场“沉默杀手”无间道！水凝胶应变传感器充分利用水凝胶的“刺激-响应”特性，只需一滴血、两分钟，颠覆了传统医学检测的暴力美学，给每个钾离子安装了追踪器！该研究以题目为“A novel smart hydrogel strain sensor for efficient and quantitative detection of blood potassium concentration with a drop of serum”发表在《 Advanced Functional Materials 》期刊上。

水凝胶特工的“破案工具箱”（图1）：

1. 智能捕手：15-冠-5“离子手铐”

水凝胶里埋伏着皇冠形分子陷阱（15-冠-5基团），专门识别钾离子并“铐”成2:1黄金搭档，具有高稳定系数！

2. 物理交联黑科技：Laponite XLG（L-XLG）“纸牌屋架构”

用Laponite XLG搭出“分子乐高”，通过电子、氢键构建的动态交联体系，既给水凝胶装上弹簧筋骨，加强水凝胶的机械性，又给离子开快速通道，传统化学交联水凝胶还在堵车，它已上演“速度与激情”。检测效率急剧提升！

3. 强强联合：3-（甲基丙烯酰氧基）丙基三甲氧基硅烷（MPS）“分子双面胶”

MPS中的硅氧烷基团（—Si(OCH ₃ ) ₃ ）与电阻应变片的聚酰亚胺（PI）基底的-OH缩合，焊出Si-O-Si共价键，形成共价键；甲基丙烯酸酯基团（CH ₂ =C(CH ₃ )COO—）与水凝胶单体共聚，共价键手拉手，编织出3D分子网络铠甲。

4. 变形发电报：电阻应变片“摩斯密码”

钾离子落网瞬间，水凝胶收缩触发“形变探戈”，急剧收缩，传导给电阻应变片转变为“钾语报告”——电阻变化比心电图还敏感！

图1 智能水凝胶应变传感器检测原理的示意图。

性能暴击：六边形战士的硬核技能

1. 水凝胶/PI基底共价键结合，水凝胶如何形变，都不脱离基底（图2）。

2. 血钾浓度1mM  9mM全段监控（图3）。

3. 2 min 超快响应效果，16 μL 超少血清样品用量（图4）。

4. 15-冠-5对K ⁺ 的高选择性，面对血清中常见的钠离子（Na ⁺ ）、钙离子（Ca ²⁺ ）、镁离子（Mg ²⁺ ）等“干扰天团”，水凝胶传感器对K ⁺ 展现出令人惊叹的“选择性逮捕”能力（图5a,b）。

5. 2分钟快速检测（K ⁺ 5 mM）  8分钟复位（去离子水冲洗）  循环12次任务不掉链（图5c,d）。

6. 水凝胶内置智能温控芯片——聚（ N -异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）的温度响应特性，实现25°C（空调房）  40°C（发烧模式）全场景作战（图6）。

图2 水凝胶和PI基底之间结合强度的表征。c, d) 改性PI基材和在25 °C下用不同浓度交联剂制备的水凝胶之间的剥离强度(c)和剪切强度(d)。e) 由1%L-XLG共聚成的PNB水凝胶结合到改性PI基底上制备的双层的温度依赖性变形。

图3 在32 °C下，用不同浓度的交联剂制备的水凝胶应变传感器在识别1 mM至9 mM范围内的K ⁺ 浓度时的微应变值。

图4 以1% L-XLG为交联剂制备的水凝胶应变传感器在32°C下的检测性能。a) 水凝胶应变传感器在不同浓度（从1mM到9mM）的K ⁺ 溶液中的动态微应变变化。b) 通过逐步将K ⁺ 浓度从0改变到9 mM，水凝胶应变传感器的连续检测性能。c) 在不同体积的人血清样本中识别K ⁺ 从3.8 mM到 5.4mM时，水凝胶应变传感器的微应变值。

图5 用1%L-XLG制备的水凝胶应变传感器在32°C下的抗干扰性和重复检测性能。a,b) 用不同浓度的不同离子(a)和不同浓度的Na ⁺ 、Mg ²⁺ 和Ca ²⁺ (b)测试的水凝胶应变传感器的抗干扰性能。c,d) 通过在0 mM和5 mM之间反复切换K ⁺ 浓度，水凝胶应变传感器(c)的重复检测性能和检测到的微应变值(d)。

图6 温度对1% L-XLG水凝胶应变传感器检测性能的影响。a) 温度对水凝胶应变传感器在识别血清样本中不同K ⁺ 浓度时的微应变值的影响。b) 温度对水凝胶应变传感器微应变值的影响。c) 用于检测不同温度下一滴血清中血液K ⁺ 浓度的水凝胶应变传感器的微应变值的正常参考范围。

总结： 四川大学褚良银、潘大伟等开发出的一种新型智能水凝胶应变传感器，只需一滴血清（16微升）就能在2分钟内精准检测血钾浓度。这项研究将具有特异识别能力的PNB水凝胶与高灵敏度电阻应变片巧妙结合，利用15-冠-5单元像“分子手铐”般精准捕获钾离子，同时通过Laponite XLG纳米片构建的“纸牌屋”结构加速离子传输，使水凝胶快速收缩并转化为可测应变信号。该传感器不仅实现了超快速、微量样本检测，更展现出惊人的抗干扰能力和重复使用稳定性，为血钾浓度的高效定量监测带来了创新解决方案，未来还可拓展应用于其他生物标志物（Biomarker）、环境污染物、农药残留物等多种检测场景。

通讯作者简介：

褚良银 ，四川大学二级教授，国家杰出青年科学基金获得者（2008），教育部长江学者特聘教授（2009），英国皇家化学会会士（2014），中国化工学会会士（2022）。长期从事传质与分离、微化工、膜材料与膜过程、控释系统、功能材料等领域的研究。

潘大伟 ，四川大学副研究员、博导。长期从事微化工技术、功能材料等方面的研究。

https://doi.org/10.1002/adfm.202504004

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202504004