研究人员提高了家庭连续血糖监测的准确性

迄今为止，与诊所或医院中的类似系统相比，以家庭为基础的糖尿病患者连续血糖监测不得不牺牲易用性、低成本和便携性，以换取稍低的灵敏度和准确性。一组研究人员现在已经为此类监视器开发了一种生物传感器，该传感器涉及“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福音。与餐前和睡前血糖测试不同，始终在线的CGM设备实时、快速、准确地检测血糖水平，显着改善了糖尿病管理。

更容易跟踪血糖趋势，使糖尿病护理计划的饮食、运动和药物改变更容易全天实施，当血糖水平升得太高或降得太低时会发出警报，将信息发送给个人或父母、伴侣或照顾者。

CGM通常通过嵌入皮肤下的微型生物传感器工作，该传感器测量细胞间液体中的葡萄糖水平。该传感器每隔几分钟检查一次此类水平并将该信息发送到监视器。监视器也可以连接到胰岛素泵。

已经开发了各种葡萄糖检测技术，包括比色法、红外光谱法、荧光光谱法和质谱法。但对于基于家庭的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，因为它具有快速响应、易用性、低成本和便携性。

华中科技大学光学与电子信息学院微电子专家刘欢说：“它的灵敏度也不错，但灵敏度不高。”“没有与医疗保健环境中使用的其他技术进行比较。所以我们想看看我们是否可以提高这种敏感性，从而提高其准确性。”

电化学葡萄糖传感器可分为基于酶的传感器和基于非酶的传感器。对于基于酶的葡萄糖电化学传感器，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。

电极从葡萄糖中吸引电子(将其氧化)，并在此过程中产生随葡萄糖水平变化的电流。GOx由于其对葡萄糖的高选择性(能够选择葡萄糖而不是其他物质)、高稳定性和在广泛的pH水平范围内的高活性而被广泛用于此目的。

然而，当GOx直接与裸露的电极表面结合时，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转移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，从而增强电活性中心(电子活性位点)和电极表面之间的直接电子转移。一项值得注意的尝试涉及使用以纳米级设计的电极，以在电极上具有可提供更大表面积和高电催化活性的结构。

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，它为电荷在传感器和被测流体之间的界面上转移创造了障碍。

因此，研究人员走向了完全不同的方向。该团队旨在通过使用胶体量子点(CQD)作为修饰电极的材料来提高葡萄糖传感性能。CQD是“零”维半导体纳米粒子。(它们实际上不是零维，而是非常小的直径，通常在2到20纳米之间)。它们拥有丰富的活性位点——可以发生化学反应的位置——并且非常稳定地与生物蛋白质分子结合。

更好的是，由于它们非常小的尺寸，CQD会产生量子隧道效应等量子效应，并且CQD与蛋白质界面的电荷转移可以通过施加外部电场来调节。CQD还与一系列不同的刚性和柔性基板材料兼容，使其更易于制造。

为了增强这种效果，研究人员将金纳米球(AuNSs)集成到传感器电极的结构中。这些是超微小的球形纳米颗粒，直径范围为10-200nm。由于其独特的物理和化学特性，它们越来越多地用于生物传感应用。

特别是，当用作酶促电化学生物传感器的组分时，AuNS允许蛋白质酶在粘附到表面时保持其生物活性，并降低蛋白质壳对直接电子转移的绝缘作用。在CGM中，这大大增强了电化学生物传感器的信号幅度。

研究人员构建了一个概念验证CGM，该CGM使用CQD(在这种情况下由硫化铅制成)和AuNSs修饰电极。他们发现，正如所希望的那样，添加AuNSs特别显着改善了电化学传感器检测到的电流信号。

结合起来，这些改变在检测不同样本(如血液、汗液和其他体液)中的葡萄糖方面显示出巨大潜力，并提供了一种快速(不到30秒)的电化学生物传感器，具有广泛的检测范围和超高灵敏度该团队正在寻找。

研究人员现在的目标是采用他们的概念验证CGM并使其可在商业规模上制造。