一种便携式双电极智能血糖仪可高灵敏度监测血糖浓度

近年来，人们对葡萄糖传感方法（例如光学、电化学和场效应晶体管（FET）器件）进行了广泛的研究。目前，市场上主要利用电化学血糖仪进行葡萄糖浓度的监测。总体而言，石墨烯、碳纳米管、金属氧化物（例如氧化铜（CuO）、氧化锌（ZnO）、三氧化二铁（Fe2O3）、二氧化钛（TiO2）、氧化银（Ag2O）、二氧化锡（SnO2）），以及聚合物（例如乙二醇、苯硼酸）等已被制备用于葡萄糖传感。

在上述材料中，石墨烯常被用于葡萄糖传感器，因为它成本低，并且具有检测葡萄糖的高电催化性能。氧化石墨烯（GO）由于其良好的电子传递能力、高生物分子亲和性、高电化学活性、高化学稳定性、良好的物理性质、高表面体积比、优异的迁移率和高柔韧性，是一种最常见的用于葡萄糖高选择性、高灵敏度传感的高性能二维材料。聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）是一种需求量很高的聚合物，因为它具有非凡的特性和关键的优势，例如增强的导电性、电稳定性和柔韧性。目前，PEDOT: PSS已经被用于改善纳米材料的传感性能和结构不稳定性。

电化学生物传感器通常采用三电极系统，由工作电极、对电极和参比电极组成。这种方法的缺点是葡萄糖检测过程复杂，构建的葡萄糖检测装置体积较大，需要一个恒电位仪，而且稳定性不好。

据麦姆斯咨询报道，近期，为了解决以上问题，伊朗设拉子科技大学（Shiraz University of Technology）的研究人员设计了一种便携式双电极智能血糖仪，用于血糖浓度的高灵敏度监测。相关研究成果以“Development of a portable smart Glucometer with two electrode bio-electronic test strip patch based on Cu/Au/rGO/PEDOT:PSS”为题发表在Scientific Reports期刊上。

图1 基于还原氧化石墨烯（rGO）/PEDOT:PSS的生物电子传感器示意图及其传感机制

该血糖仪利用生物电子测试条贴片来进行葡萄糖浓度的检测，该测试条贴片上集成了叉指电极以及其上修饰的铜（Cu）/金（Au）/rGO/PEDOT:PSS。此外，该血糖仪还集成了以mg/dl为单位的显示葡萄糖浓度的有机发光二极管（OLED）屏幕、用于信号处理的微控制器，以及集成在印刷电路板（PCB）上的用于无线传输的蓝牙模块。整个血糖仪系统的电源是一块电压为9 V的电池。

图2 （a）血糖仪示意图；（b）利用Altium Designer程序设计的电路板的示意图；（c）制备的血糖传感器实物图

图3 （a）便携式智能血糖仪使用流程示意图；（b）血糖仪工作算法

该血糖仪的葡糖糖浓度检测原理是，当葡萄糖氧化酶（GOx）与葡萄糖分子反应时，就会释放出过氧化氢（H2O2）。在偏置电压下，过氧化氢被解离成电子。因此，释放的电子与多数空穴载流子重新结合。随着葡萄糖浓度的增加，更多的空穴被重新结合，最终导致传感器的电导率降低。

研究结果表明，这种基于双电极的智能血糖仪的检测性能要优于市场上现有的三电极电化学测试条。首先，该血糖仪具有良好的电催化性能，表明其可以实现血糖的高性能传感。其次，该血糖仪在响应时间、检测范围和检测限等方面均优于商用电化学测试条。该血糖仪可在0 ~ 100 mM的宽检测范围内监测血糖，并且其检测限极低，仅为1 µM。此外，该血糖仪的灵敏度为5.65 mA/mM，并且具有高选择性、高再现性以及稳定性好等优异的传感性能。最后，在利用11份人体血液和血清样本进行的人体试验中，该血糖仪具有较高的临床准确性，最佳相对标准偏差（RSD）值为0.012。

图4 葡萄糖浓度为1 µM ~ 100 mM时，基于rGO/PEDOT:PSS的葡萄糖生物传感器的电学特性

图5 基于rGO/PEDOT:PSS的葡萄糖生物传感器的（a）选择性、（b）稳定性、（c）重复性和（d）再现性

综上所述，该研究提出了一种基于新颖设计理念的生物电子测试条贴片，解决了传统电化学检测方法中所遇到的挑战。生物电子传感器是微电子领域的智能工具，它为体内植入、有创、微创和可穿戴的生物传感器开辟了可能性。研究结果表明，生物电子技术比目前市场上用于血糖监测的电化学血糖仪技术更好，更灵敏，也可以用于可穿戴设备，以实现对血糖水平的连续且准确的监测，并且还可以与其它生物微芯片集成。

此外，这项工作的新颖之处在于，作为活性材料的rGO和PEDOT:PSS的特殊形态使其获得了高灵敏度和高传感性能。该传感器的另一个新颖之处是结合了Cu、Au、rGO和PEDOT:PSS四种材料来制造生物电子传感器。其中，使用增强PEDOT:PSS敏化度的rGO提高了传感器在检测限和灵敏度方面的性能。此外，金属Au和Cu的掺入增强了葡萄糖氧化的电催化剂活性，从而可以产生更多的电子，并通过半导体实现更快的电子传递。最后，该传感器采用一种简单而经济的（滴铸）方法制造，比传统的电化学方法简单和便宜得多，同时具备有竞争力的性能，少量（仅1 µL）葡萄糖溶液就足以使传感器准确响应。

 

审核编辑：刘清