《Journal of Electroanalytical Chemistry》：A novel non-invasive technique for glucose detection in saliva through direct I-V measurements using rGO/GOx-modified planar electrodes
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拉凯什·戈斯瓦米（Rakesh Goswami）|拉姆·基肖尔·罗伊（Ram Kishore Roy）|希伦德拉·达斯（Hirendra Das）|图尔希·贝兹博鲁阿（Tulshi Bezboruah）印度阿萨姆邦古瓦哈提市高哈蒂大学（Gauhati University）电子与
拉凯什·戈斯瓦米（Rakesh Goswami）|拉姆·基肖尔·罗伊（Ram Kishore Roy）|希伦德拉·达斯（Hirendra Das）|图尔希·贝兹博鲁阿（Tulshi Bezboruah）
印度阿萨姆邦古瓦哈提市高哈蒂大学（Gauhati University）电子与通信技术系，邮编781014
摘要
在本研究中，我们报道了一种基于电流和电压的非侵入性唾液葡萄糖检测方法的开发。所提出的系统中，在铜印刷电路板上制造了四个相同的电极，这些电极采用双电极配置。通过将葡萄糖氧化酶与还原氧化石墨烯结合，或单独使用葡萄糖氧化酶/还原氧化石墨烯，对电极进行了酶法和非酶法的改良。使用Keithley电流源在0–5 V的电压范围内测量改良电极的电流-电压响应。该系统的灵敏度、检测限和定量限分别为0.0222至0.1066 mA mM?1、1.21至9.70 mM和3.67至28.89 mM。该技术的创新之处在于其测量过程简单、制造工艺低复杂度、便携性强且成本低廉，为非侵入性唾液葡萄糖监测提供了一个有前景的框架。
引言
葡萄糖（C?H??O?）是一种重要的单糖，是人体生理活动的主要能量来源。它来源于富含碳水化合物的食物，如面包、水果和蔬菜。葡萄糖经过代谢分解和细胞呼吸过程，为蛋白质合成、神经活动和肌肉收缩提供所需的能量[1]。正常的生理水平受到严格调控，多余的葡萄糖会以糖原的形式储存在肝脏和肌肉中，或转化为脂肪。葡萄糖水平的失调会导致病理状况：持续的高血糖会损害血管、神经和器官，而低血糖则会影响大脑功能，甚至可能导致昏迷或死亡。全球糖尿病负担令人担忧，2024年报告的糖尿病患者数量为5.89亿，预计到2050年将增至8.53亿[2]。鉴于糖尿病相关并发症（包括心血管疾病、肾病和视网膜病变）的严重性，准确且持续的葡萄糖监测对于诊断和疾病管理至关重要。
传统的诊断方法，如血红蛋白A1c（HbA1c）、空腹血浆葡萄糖（FPG）和口服葡萄糖耐量测试（OGTT），仍是金标准[3][4]。然而，这些方法需要实验室设施、技术人员以及静脉采血，限制了它们在实时自我护理中的适用性。使用指尖采血设备进行自我血糖监测（SMBG）实现了即时检测[5][6]，但这种方法具有侵入性、疼痛且不易频繁进行[7]。此外，SMBG仅提供间歇性数据而非连续曲线，使患者容易忽视血糖波动。这些挑战促使研究人员探索替代生物流体，如尿液、眼泪和唾液[8][9]。其中，唾液因其非侵入性采集、丰富成分以及含有大量代谢物和生物标志物而特别有前景。唾液中的葡萄糖浓度范围为0.5–22 mg/dL（约0.03–1.2 mM）[10][11]，这正是非侵入性糖尿病监测的目标浓度范围。特别是，唾液中的葡萄糖浓度与血液中的葡萄糖浓度之间存在可测量的相关性，使其成为实用的糖尿病监测生物流体[10][12][13]。与需要采血针和无菌设备的血液采集不同，唾液可以由患者自行快速、无痛地反复采集，甚至无需临床环境[14][15]。
过去十年中，提出了多种唾液葡萄糖检测技术，包括基于纸张的微流控平台（μPADs）[16][17][18]、芯片实验室（LOC）设备[19]、可穿戴护齿器传感器[20][21]、表面等离子共振（SPR）生物传感器[22]、奶嘴传感器[23]、试纸条传感器[24]、智能手机辅助光学设备[25]以及基于计算机视觉的技术[26]。每种技术都展示了创新特点，但也存在各自的局限性。例如，μPADs成本低廉且是一次性的，但易损坏且定量精度有限[27]。LOC系统能够快速分析小样本量，但需要用户培训且制造成本高[28]。护齿器传感器可实现实时监测，但依赖外部分析系统，限制了其便携性[29]。基于SPR的设备灵敏度较高，但缺乏可扩展性和微型化[30]。基于智能手机和计算机视觉的平台易于使用，但受图像质量和环境光照影响，影响准确性[31]。
最近的研究强调了先进纳米材料和柔性传感平台在电化学检测有害化合物（如有机磷类化学战剂）方面的作用，以及它们在环境和防御应用中的有效性[32]。除了使用GO/TiO?和GO/SnO?基电极外，还开发了基于差分脉冲伏安法（DPV）的分子分析系统，提高了测量稳定性，展现了在精确和快速检测应用中的巨大潜力[35]。可穿戴传感技术的最新进展实现了实时、非侵入性的监测，具有显著灵活性和用户体验，展示了电子纹身在下一代医疗应用中的未来潜力[36]。此外，碳基材料也被用于传感应用，例如从Basella alba果实中合成碳量子点用于Fe(III)离子的荧光检测[37][38]。胺功能化活性炭也被用于2-氯乙基苯硫醚（2-CEPS）的便携式电化学检测[37][38]。此外，基于纳米材料的传感平台（如棉织物基非侵入性比色传感器用于快速酮体检测，以及ZnO/NiO纳米复合材料用于水中的对甲酚电化学检测）的研究，突显了开发灵敏且便携的传感系统以满足实时分析需求的兴趣日益增长[39][40]。
这些缺点凸显出对坚固、准确、微型化和低成本传感系统的需求。在这种背景下，电化学生物传感器因其高灵敏度、选择性、快速响应时间和低成本制造以及易于集成到便携式系统中的优点而成为主流[41][42][43][44][45][46][47]。基于葡萄糖氧化酶（GOx）的酶法葡萄糖传感器具有较好的特异性，而非酶法则依赖于电极材料加速的葡萄糖氧化[49][50][51]。尽管有这些进步，大多数系统仍采用三电极配置，这适用于实验室研究，但存在成本、复杂性、稳定性差以及参比电极体积庞大等问题，限制了其便携性和微型化。相比之下，双电极方法被认为更可靠、坚固且稳定[52][53]。
纳米材料进一步推动了电化学传感技术的发展。贵金属纳米粒子（如Au和Ag）因具有催化活性和导电性而被广泛用于葡萄糖检测[54][55]。然而，高成本、尺寸分布和长期稳定性等问题限制了其广泛应用[56]。相比之下，基于石墨烯的纳米材料具有独特的优势，包括大表面积、优异的导电性和机械强度[57][58][59]。尤其是还原氧化石墨烯（rGO）因结合了半导体特性和表面氧官能团而受到特别关注，这些特性增强了亲水性和与分析物的相互作用。
在本研究中，我们提出了一种利用GOx/rGO改良电极配置进行唾液葡萄糖检测的新I-V技术。通过改进的Hummers方法合成氧化石墨烯（GO），然后将其热还原为rGO。通过X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、能量分散光谱（EDS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证了GO到rGO的结构和形态变化。系统地分析了改良电极的I-V响应，以建立唾液葡萄糖浓度与相应电流响应之间的关联。现有唾液葡萄糖检测技术的主要局限性包括设计复杂性、测量程序复杂和三电极系统的微型化潜力有限。我们的方法解决了这些问题，为开发低成本、用户友好的非侵入性唾液葡萄糖监测平台奠定了基础。
节段摘录
材料
本研究中使用的所有化学品和试剂均为分析级，无需进一步纯化。D(+)-葡萄糖（C?H??O?）≥99.5%和葡萄糖氧化酶（GO?-65%）购自美国Sigma Aldrich公司。人工唾液（99.9%）购自Biochemazone公司。蒸馏水在实验室自制。石墨粉（≥99.99%）购自Merck公司。盐酸（HCl-37%，超纯）和硝酸钠（NaNO?–99%）及硫酸（H?SO?–98%，超纯）也由实验室制备。
葡萄糖检测机制
非酶法检测唾液中的葡萄糖依赖于铜（Cu）电极改变电子价态的能力。Cu作为催化剂，将葡萄糖氧化为葡萄糖内酯（或葡萄糖酸）。通过向唾液葡萄糖样品施加恒定电压创造临时碱性条件，或者金属电极本身作为催化剂进行电氧化，从而实现葡萄糖的检测。
结论
在本研究中，我们提出并验证了一种基于I-V技术的新型非侵入性唾液葡萄糖检测方法。该方法结合了酶法和非酶法的rGO改良电极。采用S-GOx-G改良的电极在低葡萄糖浓度下表现出最高的灵敏度（0.1066 mA mM?1）。对于较高浓度范围（1–10 mM），
CRediT作者贡献声明
拉凯什·戈斯瓦米（Rakesh Goswami）：负责写作、审稿和编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、方法论设计、研究实施、数据分析以及概念构思。拉姆·基肖尔·罗伊（Ram Kishore Roy）：负责写作、审稿和编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、项目管理、方法论设计以及概念构思。希伦德拉·达斯（Hirendra Das）：负责写作、审稿和编辑、初稿撰写、数据可视化、验证以及数据管理。图尔希·贝兹博鲁阿（Tulshi Bezboruah）：负责写作和审稿。
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益和个人关系：拉凯什·戈斯瓦米（Rakesh Goswami）表示获得了印度电子信息技术部（MeitY）的财政支持。如果还有其他作者，他们声明自己没有可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢印度古瓦哈提理工学院（IIT Guwahati）的中央仪器设施（CIF）提供的HRTEM和EDX设备。其中一位作者拉凯什·戈斯瓦米（Rakesh Goswami）还感谢印度电子信息技术部（MeitY）提供的Visvesvaraya奖学金（奖项编号：MEITY-PHD-1673331246829），以支持其开展研究工作。作者们希望
