适用于可穿戴葡萄糖传感器的亚秒级响应算法：基于归一化斜率的校准方法及微体积差分补偿测量技术

《Measurement: Sensors》：Sub-second response algorithm for wearable glucose sensors: normalized slope-based calibration and microvolumes differential compensation measurements

非侵入式汗液葡萄糖监测：高灵敏度酶电极传感器与动态补偿算法

　　这项研究聚焦于开发一种用于非侵入式监测汗水中的葡萄糖浓度的传感器系统。传统方法如血液检测需要刺破皮肤，这不仅会给患者带来焦虑、疼痛甚至感染的风险，还会影响患者的依从性。为了克服这些局限性，研究人员提出了一种基于酶电化学原理的新型传感器，结合了快速校准算法，以提高检测的准确性和可靠性。这种传感器具有高度的敏感性，并能够在几秒钟内提供稳定的读数，从而为持续监测葡萄糖水平提供了潜在的解决方案。

研究团队设计了一种以金为工作电极的柔性丝网印刷电化学传感器，其功能层由聚(3,4-乙二氧噻吩)（PEDOT）和普鲁士蓝（PB）的纳米复合材料构成，随后再覆盖一层含有葡萄糖氧化酶（GOx）的壳聚糖膜，其中还掺杂了石墨以增强导电性，并添加了牛血清白蛋白（BSA）以稳定酶的结构。Nafion溶液被用来形成保护层，以防止氧化酶的活性被破坏，同时保持葡萄糖的渗透性。这种设计使得传感器在低浓度葡萄糖条件下仍能表现出良好的灵敏度和选择性。

为了应对传感器间以及不同个体汗水成分之间的差异，研究团队开发了一种后处理校准协议。该协议利用了传感器的响应修正因子（RCF），该因子基于每个传感器的特定灵敏度计算得出。这种方法显著减少了不同传感器之间的响应差异，从而提升了校准的准确性。实验结果显示，校准后的传感器数据具有更高的相关性（R2 = 0.995），与未校准数据（R2 = 0.822）相比，表现更为优异。

在实验过程中，研究人员使用了20 μL的微体积样本，这是可穿戴设备中常见的汗水采集量。通过薄层恒电流法，研究团队能够研究传感器在不同葡萄糖浓度下的响应特性。此外，为了提高传感器响应的线性度，研究团队引入了一种基于响应曲线斜率的差分补偿算法。该算法使用了没有葡萄糖氧化酶的参考传感器，从而能够在不同浓度下进行有效的补偿，提高动态范围和校准精度。

实验结果表明，该传感器能够在不同葡萄糖浓度下准确反映其浓度变化，并且能够识别出三个不同的操作区域：生理区域（60–110 μM）、警告区域（110–160 μM）和警报/风险区域（>160 μM）。这些操作区域的定义为传感器的临床应用提供了实用的指导框架，使得不同浓度下的葡萄糖水平能够被有效区分。

为了进一步提升传感器的性能，研究团队对传感器进行了详细的电化学和形态学表征。使用循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）对传感器的电化学特性进行了分析，结果显示，经过PEDOT-PB纳米复合材料修饰后的电极表现出更高的导电性和更低的阻抗。通过原子力显微镜（AFM）对传感器表面进行了分析，发现随着普鲁士蓝的沉积，传感器表面的粗糙度有所降低，这表明材料的结构变得更加均匀，有助于提高传感器的性能。

在测试过程中，研究人员发现，传感器的响应曲线在注射后的前几秒内变化最为剧烈，因此，选择0.3秒作为测量时间窗口，以获取最准确的响应斜率。通过比较多个传感器的响应斜率，研究团队计算出了平均响应曲线斜率（ARCS），并将其作为校准因子，用于标准化不同传感器的电流响应。这种方法显著提高了不同传感器之间数据的可比性，同时减少了测量误差。

此外，研究团队还对传感器在实际应用条件下的表现进行了模拟。他们使用微流控系统和人工汗水作为生物基质，测试了传感器在连续流动条件下的响应情况。实验结果显示，传感器能够在不同的葡萄糖浓度下保持快速和稳定的响应，并且能够准确跟踪浓度的周期性变化。这种特性使得传感器在可穿戴设备中具有很高的应用潜力。

在微体积测试中，研究团队发现，当使用20 μL的样本时，传感器的响应行为发生了显著变化。由于样本体积较小，葡萄糖分子的扩散受到限制，因此需要调整测量时间窗口以确保数据的准确性。通过在5–10秒的时间范围内计算响应曲线的斜率，研究团队能够更准确地反映葡萄糖浓度的变化。使用没有葡萄糖氧化酶的参考传感器进行差分补偿，进一步提高了传感器的线性度和动态范围。

研究团队还发现，使用没有葡萄糖氧化酶的传感器进行补偿可以有效提升校准的精度。通过对不同浓度下的传感器响应曲线进行正向或负向补偿，研究团队获得了更高的动态范围和更清晰的响应区分。最终的实验结果显示，校准后的传感器能够可靠地区分三个不同的操作区域，并且在实际应用中具有良好的稳定性和灵敏度。

综上所述，这项研究提出了一种基于酶电化学原理的新型汗水葡萄糖传感器，结合了快速校准算法，以提高检测的准确性和可靠性。该传感器具有良好的灵敏度和选择性，能够在低浓度下准确反映葡萄糖水平，并且能够应对不同个体之间的汗水成分差异。通过后处理校准协议和差分补偿算法，研究团队成功减少了传感器间的响应差异，提升了校准的精度和动态范围。这些成果为实现非侵入式、持续性的葡萄糖监测提供了重要的技术支持，并且具有广阔的应用前景，特别是在可穿戴设备和医疗监测领域。