研究人员提高了基于家庭的连续血糖监测的准确性

研究人员设计了一种超灵敏的生物传感器，用于糖尿病患者的家庭持续血糖监测，它利用了量子效应和黄金“纳米球”，消除了这种设备以使用方便和低成本为代价而降低精度的需求。

　　

   

   

图片:电化学生物传感器采用PbS胶体量子点/金纳米球修饰电极，用于超灵敏的葡萄糖检测。    

到目前为止，与诊所或医院的类似系统相比，基于家庭的糖尿病患者持续血糖监测系统不得不以易用性、低成本和便携性换取较低的灵敏度和准确性。现在，一组研究人员已经开发了一种用于此类监测器的生物传感器，其中包括“零维”量子点(qd)和金纳米球(auns)，并且不再需要在准确性上妥协。

一篇描述生物传感器设计及其增强性能的论文发表在2022年11月9日的《纳米研究》杂志上。

近年来，持续血糖监测(CGM)技术的发展为糖尿病患者带来了巨大的福音。与餐前和睡前血糖检测不同，全天候CGM设备实时、快速、准确地检测血糖水平显著改善了糖尿病管理。葡萄糖趋势更容易跟踪，使饮食、锻炼和药物改变糖尿病护理计划更容易在一天中执行，当血糖水平攀升过高或过低时警报会发出，将信息发送给个人或父母、伴侣或护理人员。

cgm通常通过植入皮下的微型生物传感器工作，该传感器可以测量细胞间液体中的葡萄糖水平。这个传感器每隔几分钟就检查一次，并将信息发送到监视器。监测器还可以连接到胰岛素泵上。

各种葡萄糖检测技术已经发展起来，包括比色法、红外光谱法、荧光光谱法和质谱法。但对于家庭操作而不是在诊所或医院，电化学葡萄糖检测是最广泛接受的技术，因为它反应迅速，易于使用，低成本和便携。

华中科技大学光学与电子信息学院微电子学专家刘欢说:“它的灵敏度也不错，但不是很好。”“与医疗保健环境中使用的其他技术相比，情况并非如此。所以我们想看看我们是否可以提高这种灵敏度，从而提高它的准确性。”

电化学葡萄糖传感器可分为酶基传感器和非酶基传感器。在基于酶的葡萄糖电化学传感器中，葡萄糖氧化酶(GOx)——一种加速(催化)氧化-还原化学反应的酶——被广泛用于氧化CGM传感器电极表面的葡萄糖。电极从葡萄糖中吸收电子(氧化它们)，并在此过程中产生随葡萄糖水平而变化的电流。GOx因其对葡萄糖的高选择性(选择葡萄糖而不是其他物质的能力)、高稳定性和在广泛的pH值水平下的高活性而被广泛用于这一目的。

然而，当GOx直接与裸电极表面结合时，不仅GOx本身容易脱落(剥离其部分层)，而且其生物活性和稳定性也会受到影响。此外，GOx与电极表面之间的电子传递效率是决定传感器灵敏度的关键因素。

到目前为止，已经进行了许多尝试，使GOx酶更牢固地附着在电极上，从而加强电活性中心(电子活性位点)和电极表面之间的直接电子转移。一个值得注意的尝试是使用纳米级设计的电极，使电极上的结构提供更大的表面积和更高的电催化活性。不幸的是，这些纳米结构增加了制造这种电化学生物传感器的复杂性。它们的构造还依赖于合成聚合物Nafion作为支架，这为电荷在传感器和被测流体之间的界面转移创造了障碍。

因此，研究人员进行了一项研究完全 不同的方向。该团队的目标是通过使用胶体量子点(CQDs)作为修饰电极的材料来提高葡萄糖传感性能。cqd是“零”维半导体纳米颗粒。(它们实际上并不是零维度的，而是非常微小的直径，通常在2到20纳米之间)。它们具有丰富的活性位点(化学反应发生的位置)，可以非常稳定地与生物蛋白质分子结合。

更妙的是，由于cqd的体积非常小，它会经历量子效应，如量子隧道，cqd -蛋白质界面上的电荷转移可以通过外部电场的应用来调节。cqd还与一系列不同的刚性和柔性基板材料兼容，使它们更容易制造。

为了增强这种效果，研究人员将金“纳米球”(auns)集成到传感器电极的结构中。这些是直径在10-200纳米之间的超微小球形纳米颗粒。由于其独特的物理和化学性质，它们越来越多地应用于生物传感应用中。特别是，当用作酶电化学生物传感器的组件时，auns允许蛋白质酶在粘附到表面时保持其生物活性，并减少蛋白质外壳的绝缘作用，以进行直接电子转移。在CGM中，这大大增强了电化学生物传感器的信号振幅。

研究人员利用cqds和aunss修饰电极构建了一个概念验证的CGM——在这种情况下，cqds是由硫化铅制成的。他们发现，如预期的那样，auns的加入显著改善了电化学传感器检测到的电流信号。

综合起来，这些变化显示出在检测血液、汗液和其他体液等不同样本中的葡萄糖方面的巨大潜力，它提供了一个快速(不到30秒)的电化学生物传感器，具有广泛的检测范围和团队正在寻找的超高灵敏度。

研究人员现在的目标是将他们的概念验证CGM用于商业规模的生产。