近年來，人們對葡萄糖傳感方法（例如光學(xué)、電化學(xué)和場效應(yīng)晶體管（FET）器件）進行了廣泛的研究。目前，市場上主要利用電化學(xué)血糖儀進行葡萄糖濃度的監(jiān)測。總體而言，石墨烯、碳納米管、金屬氧化物（例如氧化銅（CuO）、氧化鋅（ZnO）、三氧化二鐵（Fe2O3）、二氧化鈦（TiO2）、氧化銀（Ag2O）、二氧化錫（SnO2）），以及聚合物（例如乙二醇、苯硼酸）等已被制備用于葡萄糖傳感。

在上述材料中，石墨烯常被用于葡萄糖傳感器，因為它成本低，并且具有檢測葡萄糖的高電催化性能。氧化石墨烯（GO）由于其良好的電子傳遞能力、高生物分子親和性、高電化學(xué)活性、高化學(xué)穩(wěn)定性、良好的物理性質(zhì)、高表面體積比、優(yōu)異的遷移率和高柔韌性，是一種最常見的用于葡萄糖高選擇性、高靈敏度傳感的高性能二維材料。聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）是一種需求量很高的聚合物，因為它具有非凡的特性和關(guān)鍵的優(yōu)勢，例如增強的導(dǎo)電性、電穩(wěn)定性和柔韌性。目前，PEDOT: PSS已經(jīng)被用于改善納米材料的傳感性能和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性。

電化學(xué)生物傳感器通常采用三電極系統(tǒng)，由工作電極、對電極和參比電極組成。這種方法的缺點是葡萄糖檢測過程復(fù)雜，構(gòu)建的葡萄糖檢測裝置體積較大，需要一個恒電位儀，而且穩(wěn)定性不好。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，為了解決以上問題，伊朗設(shè)拉子科技大學(xué)（Shiraz University of Technology）的研究人員設(shè)計了一種便攜式雙電極智能血糖儀，用于血糖濃度的高靈敏度監(jiān)測。相關(guān)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”為題發(fā)表在Scientific Reports期刊上。

圖1 基于還原氧化石墨烯（rGO）/PEDOT:PSS的生物電子傳感器示意圖及其傳感機制

該血糖儀利用生物電子測試條貼片來進行葡萄糖濃度的檢測，該測試條貼片上集成了叉指電極以及其上修飾的銅（Cu）/金（Au）/rGO/PEDOT:PSS。此外，該血糖儀還集成了以mg/dl為單位的顯示葡萄糖濃度的有機發(fā)光二極管（OLED）屏幕、用于信號處理的微控制器，以及集成在印刷電路板（PCB）上的用于無線傳輸?shù)?a href="http://www.nxhydt.com/tags/藍(lán)牙/" target="_blank">藍(lán)牙模塊。整個血糖儀系統(tǒng)的電源是一塊電壓為9 V的電池。

圖2 （a）血糖儀示意圖；（b）利用Altium Designer程序設(shè)計的電路板的示意圖；（c）制備的血糖傳感器實物圖

圖3 （a）便攜式智能血糖儀使用流程示意圖；（b）血糖儀工作算法

該血糖儀的葡糖糖濃度檢測原理是，當(dāng)葡萄糖氧化酶（GOx）與葡萄糖分子反應(yīng)時，就會釋放出過氧化氫（H2O2）。在偏置電壓下，過氧化氫被解離成電子。因此，釋放的電子與多數(shù)空穴載流子重新結(jié)合。隨著葡萄糖濃度的增加，更多的空穴被重新結(jié)合，最終導(dǎo)致傳感器的電導(dǎo)率降低。

研究結(jié)果表明，這種基于雙電極的智能血糖儀的檢測性能要優(yōu)于市場上現(xiàn)有的三電極電化學(xué)測試條。首先，該血糖儀具有良好的電催化性能，表明其可以實現(xiàn)血糖的高性能傳感。其次，該血糖儀在響應(yīng)時間、檢測范圍和檢測限等方面均優(yōu)于商用電化學(xué)測試條。該血糖儀可在0 ~ 100 mM的寬檢測范圍內(nèi)監(jiān)測血糖，并且其檢測限極低，僅為1 μM。此外，該血糖儀的靈敏度為5.65 mA/mM，并且具有高選擇性、高再現(xiàn)性以及穩(wěn)定性好等優(yōu)異的傳感性能。最后，在利用11份人體血液和血清樣本進行的人體試驗中，該血糖儀具有較高的臨床準(zhǔn)確性，最佳相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）值為0.012。

圖4 葡萄糖濃度為1 μM ~ 100 mM時，基于rGO/PEDOT:PSS的葡萄糖生物傳感器的電學(xué)特性

圖5 基于rGO/PEDOT:PSS的葡萄糖生物傳感器的（a）選擇性、（b）穩(wěn)定性、（c）重復(fù)性和（d）再現(xiàn)性

綜上所述，該研究提出了一種基于新穎設(shè)計理念的生物電子測試條貼片，解決了傳統(tǒng)電化學(xué)檢測方法中所遇到的挑戰(zhàn)。生物電子傳感器是微電子領(lǐng)域的智能工具，它為體內(nèi)植入、有創(chuàng)、微創(chuàng)和可穿戴的生物傳感器開辟了可能性。研究結(jié)果表明，生物電子技術(shù)比目前市場上用于血糖監(jiān)測的電化學(xué)血糖儀技術(shù)更好，更靈敏，也可以用于可穿戴設(shè)備，以實現(xiàn)對血糖水平的連續(xù)且準(zhǔn)確的監(jiān)測，并且還可以與其它生物微芯片集成。

此外，這項工作的新穎之處在于，作為活性材料的rGO和PEDOT:PSS的特殊形態(tài)使其獲得了高靈敏度和高傳感性能。該傳感器的另一個新穎之處是結(jié)合了Cu、Au、rGO和PEDOT:PSS四種材料來制造生物電子傳感器。其中，使用增強PEDOT:PSS敏化度的rGO提高了傳感器在檢測限和靈敏度方面的性能。此外，金屬Au和Cu的摻入增強了葡萄糖氧化的電催化劑活性，從而可以產(chǎn)生更多的電子，并通過半導(dǎo)體實現(xiàn)更快的電子傳遞。最后，該傳感器采用一種簡單而經(jīng)濟的（滴鑄）方法制造，比傳統(tǒng)的電化學(xué)方法簡單和便宜得多，同時具備有競爭力的性能，少量（僅1 μL）葡萄糖溶液就足以使傳感器準(zhǔn)確響應(yīng)。

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審核編輯：劉清