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Microfluidic-Based Oxygen (O?) Sensors for On-Chip Monitoring of Cell, Tissue and Organ Metabolism
基于微流體的氧 （O2） 傳感器，用于細胞、組織和器官代謝的片上監測
來源：Biosensors 2022, 12, 6.
1. 摘要核心內容
本文綜述了集成于器官芯片（OOC）的 微流控氧傳感器 技術進展，重點關注細胞、組織和器官代謝的實時監測。主要內容包括：
傳感器分類：分為光學（發光、微粒、納米、商業）和電化學（Clark型、新材料、納米、新設計、商業）兩大類。
技術特點：光學傳感器基于 發光淬滅原理（如PtTFPP、Ru(dpp)染料），電化學傳感器基于 氧還原反應。
應用場景：用于干細胞培養、腫瘤微環境模擬、肝臟/腦器官芯片等生物醫學研究。
核心價值：解決傳統方法在 微環境、實時性、多參數同步 監測上的局限。
2. 研究目的
系統梳理OOC中 氧傳感技術 的最新進展。
對比光學與電化學傳感器的 優勢與局限（如靈敏度、集成難度、成本）。
指導未來傳感器設計，滿足 器官芯片的精準監測需求。
3. 研究思路
分類框架：
光學傳感器：按創新點分4類（基礎發光、微粒基、納米基、商業設備）。
電化學傳感器：按創新點分5類（Clark型改進、新材料、納米技術、新設計、商業設備）。
多維對比：
原理、材料（如PDMS/PtTFPP）、性能（靈敏度、響應時間）。
集成方案（如原位涂覆、微粒嵌入）。
典型案例：
光學：肝臟芯片中PS微粒監測線粒體功能（圖1E）。
電化學：Clark型傳感器在BBB模型中的應用（圖4A）。
4. 測量數據及研究意義
(1) 光學傳感器（表2）
基礎發光傳感器：
PtTFPP染料在PDMS芯片中靈敏度達0.01 mg/L（圖1A-B）→ 意義：低成本實現寬范圍（0-100% O?）監測。
微粒基傳感器：
PS微球（50μm）負載Ru-菲咯啉染料，連續28天監測肝細胞代謝（圖1E）→ 意義：解決長期培養中染料衰減問題。
納米基傳感器：
PMMA納米粒負載PtOEP染料，細胞內O?檢測限43 ppm（圖2A）→ 意義：提升空間分辨率，適用于單細胞分析。
商業設備：
FireStingO?系統在細菌液滴中非接觸監測（圖3B）→ 意義：簡化操作，支持高通量篩選。
(2) 電化學傳感器（表3）
Clark型改進：
pHEMA水凝膠電極實現 零耗氧監測（圖4A）→ 意義：避免樣本消耗，適用于低氧微環境。
新材料應用：
Nafion膜修飾金電極，靈敏度0.50 nA·μM?1（引用89）→ 意義：增強抗生物污染能力。
納米技術：
石墨烯修飾電極檢測限0.37 μM（引用90）→ 意義：提升靈敏度至亞微摩爾級。
新設計：
噴墨印刷電極在肝臟芯片中OCR監測誤差<17.5%（引用94）→ 意義：定制化設計適應復雜器官模型。
商業設備：
丹麥Unisense電極（OX-NP型）在血腦屏障模型中與光學方法一致性>90%（圖4B）→ 意義：驗證跨平臺可靠性。
5. 關鍵結論
光學傳感器主導OOC應用：成本低、易集成、支持多參數（如pH/O?同步），但存在光漂白問題。
電化學傳感器后勁強：響應快、靈敏度高，但集成復雜（需電極/電解質）。
未來方向：
納米材料（石墨烯、量子點）提升性能。
3D打印實現定制化集成。
智能手機/AI驅動便攜式監測。
6. 丹麥Unisense電極詳細解讀
技術背景（2.2.5節 & 圖4B）
設備型號：OX-NP Clark型電化學傳感器。
核心原理：三電極系統（工作/對/參比電極）通過 氧還原反應電流 量化溶解氧。
獨特設計：固態電解質層 + 氣體滲透膜，避免液體電解質泄漏。
在BBB模型中的研究意義（圖4B）
驗證跨平臺可靠性：
與光學傳感器（PtTPTBPF染料）同步監測7小時，O?張力結果偏差<7%（30.76 vs 37.58 hPa）→ 證明 電化學與光學方法可交叉驗證。
長期穩定性優勢：
5天連續監測（引用105）→ 適用 器官芯片長期實驗（如缺血性卒中研究）。
臨床轉化價值：
集成至"離體血腦屏障模型"，實時模擬病理缺氧→ 為 藥物神經毒性評估 提供工具。
技術局限性
空間分辨率有限：不如光學傳感器（如納米粒子可細胞內監測）。
需外部設備：依賴電位儀，不如手機集成光學方案便攜。
領域地位
丹麥Unisense電極作為 電化學傳感的金標準，在需要高精度、長期穩定的器官芯片研究中不可替代，尤其適用于 腦、肝等代謝器官的缺氧病理模型。