血液、汗液和水：新型纸质分析设备可轻松跟踪健康和环境

当您需要测量白细胞计数时，通常需要前往诊所和昂贵的分析设备。同样，检查水质中的污染物也是一个漫长的过程。

但现在，塔夫茨大学的研究人员正在想出一些方法来进行其中一些测试，从而大大降低成本并使其更广泛地使用。他们正在使用无处不在的东西：纸张。他们用于监测个人健康和环境安全的创新纸质测试消除了对昂贵实验室设备的需求，并且可以由任何人在任何地方进行。

它们被称为纸质分析设备，可以廉价制造，长期储存，分发给偏远地区使用，并用于在最需要的时间和地点收集关键信息。它们也代表了一个技术平台，可以扩展以测量健康和环境的其他标志物。

采取医疗保健中最重要的测量方法之一：血细胞计数。仅测量白细胞就可以为从感染到自身免疫性疾病再到癌症的所有疾病提供线索。虽然样本采集（抽血）看似简单，但需要前往诊所并进入集中的临床实验室进行分析。大量人口——那些无家可归或生活在偏远地区的人——没有这种机会。

化学副教授查理·梅斯（Charlie Mace）想出了一个办法来帮忙。 他和他的团队 创造了一种称为图案化干血斑卡的纸张装置，其中纸张被设计成通道和收集区，可以测量出确定的血液量，并允许其在原地干燥以供以后分析。

所有用户需要做的就是在家中用手指刺破采集血液，然后将样本邮寄到实验室，实验室测量白细胞特有的DNA量，并指示存在的细胞数量。

“在纸卡上收集血液的方法已经存在，但它们存在不准确的问题，因为材料和用户都会引入影响测量的血液量的变化，”梅斯说。“图案卡片解决了这个问题，我们测量计数的方式 – 使用量化DNA而不是整个细胞的仪器 – 意味着我们不依赖于细胞完好无损。

通过当地合作，梅斯在这种和其他纸质分析设备上的工作已经到达南非、加纳和其他非洲国家，以及南美洲。梅斯说：“偏远和低收入地区的人们往往难以获得医疗保健，这使得他们想出更便宜、更简单的方法来监测健康指标变得更加重要。“这项技术可能在传染病中还有其他应用，例如检测血液中病毒和寄生虫的水平，以及更普遍地检测健康和保健的标志物。

出汗的健康指标

Frank C. Doble工程学教授Fiorenzo Omenetto和他在塔夫茨大学Silklab的团队创造了一种纸质分析设备，可以测量汗液中的乳酸（也称为乳酸）。

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在与汗液接触时，乳酸反应点的颜色从黄色变为深红色，作为乳酸浓度的标志，而每个角落的非反应性参考圆圈则提供了标记，用于在使用手机摄像头测量颜色强度时校正照明伪影。
照片：由Silklab提供

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在与汗液接触时，乳酸反应点的颜色从黄色变为深红色，作为乳酸浓度的标志，而每个角落的非反应性参考圆圈则提供了标记，用于在使用手机摄像头测量颜色强度时校正照明伪影。
照片：由Silklab提供

乳酸测量可提示缺氧，并用作创伤患者死亡率的预测指标。对于处于身体压力条件下的运动员或工人，乳酸可以定量测量肌肉疲劳以及健身和体能水平。

Omenetto使用源自丝素蛋白（蚕丝纤维的组成部分）的生物反应性油墨与处理乳酸的酶相结合，在乳酸存在时触发颜色变化。

墨水印在小圆纸标签上，使用用于伤口敷料的普通透明薄膜粘在皮肤上。标签的颜色从黄色变为深红色，具体取决于汗液中乳酸的浓度。这些色偏是使用智能手机摄像头测量的，其精度可与使用昂贵的实验室设备的结果相媲美。

“丝素蛋白具有稳定墨水中酶的非凡能力，因此贴片的保质期非常长 – 到目前为止在冷藏下超过两年，”EG24的Elisabetta Ruggeri说，他领导了纸设备的开发。“该方法可以扩展到制造测量汗液中其他元素的墨水，从而通过一组纸片更全面地了解人的健康和表现。这就像在你的皮肤上戴着实验室一样。

水质检测的黄金标准

在世界各地，水质差和水传播疾病是严重的问题，影响着数百万人。现在，电气和计算机工程教授Sameer Sonkusale和塔夫茨大学纳米实验室 开发了一种新型纸张分析设备，可以检测和测量水中的细菌污染。

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具有多个采样通道的纸卡可以使用智能手机上的变色检测应用程序检测供水中的细菌污染。它也可以在家中用于检测尿路感染。“我们可以将易于使用的纸质检测送到每个易感患者手中，并通过早期发现挽救许多生命，因为如果不及时发现，感染通常会发展为败血症，”Sameer Sonkusale说。
照片：由 Sameer Sonkusale 提供

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具有多个采样通道的纸卡可以使用智能手机上的变色检测应用程序检测供水中的细菌污染。它也可以在家中用于检测尿路感染。“我们可以将易于使用的纸质检测送到每个易感患者手中，并通过早期发现挽救许多生命，因为如果不及时发现，感染通常会发展为败血症，”Sameer Sonkusale说。
照片：由 Sameer Sonkusale 提供

该方法使用金纳米颗粒附着在一种叫做多粘菌素的抗生素上，这种抗生素与革兰氏阴性菌结合，这是水污染的常见嫌疑人。当细菌存在时，它们会与设备中的金颗粒结合并聚集。随着金颗粒的收集，它们的颜色开始从红粉色变为蓝色。智能手机摄像头和名为ColorAssist的现成应用程序可以测量颜色偏移，并可以量化样品中的细菌水平。

事实上，在同一篇论文分析设备中，研究人员创建了另一个收集区，以量化亚硝酸盐的存在，亚硝酸盐是水中另一种危险的污染物。蜡样的印刷和熔化会在纸张设备上创建测试区域和通道。通过这种方式，可以设计一个设备来测试水样中的大量不同污染物。

使用金纳米颗粒，而不是酶或抗体，确保纸质测试是稳定的，并且可以在没有冷藏的情况下长时间储存。尽管基本上由一张纸和一部智能手机组成，但这些测试的准确性与商业和实验室分析相当。

这些价格低廉、易于使用的水质造纸设备具有许多优点，特别是在缺乏卫生基础设施的偏远地区监测水。

这些纸质设备还可以监测用于清洗农产品的水，并提醒用户注意任何可能有害的食源性病原体。对于军方来说，获得清洁水是行动的基础，而简单、轻便、廉价的纸质水质测试可能是一项重要资产。

Sonkusale的纸质设备除了测试水质外，还具有健康应用。“不幸的是，尿路感染的检测是一个非常普遍的问题，特别是在妇女和老年人中，”他说。“我们可以将易于使用的纸质测试交到每个易感患者手中，并通过早期发现挽救许多生命，因为如果不及时发现，感染通常会发展为败血症。”