这些年我们用过的血糖仪

　　近年来，全球传染性疾病的爆发以及慢性疾病患者的增加导致了居家诊断需求的上升，同时也加剧了其在医疗急救中的需求。传统生化实验室检测存在成本高、耗时长、一定程度上依赖专业操作人员等问题。因此，低成本、高精度、简单快捷且不依赖大型仪器同时可现场采集与检测的即时检测（POCT）技术日益受到人们的重视。

　　便携式血糖仪是市售最成功的POCT设备之一[1]。它具有便携、速度快、成本低廉、操作方便、结果准确可视等优点，但其检测对象单一，只能对体液内葡萄糖进行检测，因而存在较强的局限性，限制了其应用范围。为此，越来越多的研究者致力于寻找突破的方法，使用便携式血糖仪实现对非葡萄糖靶标检测的研究日渐增加。

　　识别分子元件是便携式血糖仪作为非葡萄糖靶标检测生物传感器的重要组成部分，决定了传感器的灵敏度、特异性、稳定性和响应时间。核酸适配体分子内碱基通过氢键、范德华力、疏水堆积等作用力形成稳定的三维结构，能够与金属离子[2-3]、糖类[4]、蛋白质[5]等靶标特异性结合。又因其具有易进行选择性修饰、合成效率高、产间批次差异小、成本低等优势，使得核酸适配体在众多识别分子元件中脱颖而出。便携式血糖仪作为一种成功的电化学传感器，与核酸适配体相结合会产生更多的可能性和更广阔的应用前景。

便携式血糖仪的历史

　　血糖仪是一种用于测定血液中葡萄糖浓度的生物医学传感器，是糖尿病人在医院和家庭中常用的一种快速诊断和病情监测手段[6]。目前为止，血糖仪总共经历了五个发展阶段（图1）：水洗血糖仪、擦拭式血糖仪、比色法血糖仪、电化学血糖仪和微型多位血糖仪。

图1 血糖仪发展历程

　　水洗血糖仪需在试纸上滴血，1分钟后用水洗去红细胞，操作比较繁琐，且读取结果存在误差。作为第二代血糖仪的擦拭式血糖仪需将血样与试纸反应后将试纸上的血细胞轻轻擦去再读数，无需再冲洗试纸，反应时间短，结果准确，使用起来较第一代血糖仪方便得多。比色法血糖仪是世界上第一台不需要擦去血样的血糖仪，因其操作简单，结果准确并且不需消耗大量时间而被广泛应用。电化学血糖仪在1986年推出，因其具有体积小、操作方便、响应时间短的优点而更受广大群众的支持，此后电化学技术逐渐取代了原先的比色法。微型多位血糖仪现在正在发展中，可多部位采血，且需血量较少，预计经过几年的发展，此代血糖仪会成为血糖仪市场上的主流[7]。

　　最常见的便携式血糖仪是电极式血糖仪，它是一种电流型酶传感器，以一次性使用的葡萄糖氧化酶修饰的印刷电极作为传感器，将生化信号转换为可定量测定的电信号，进而实现对血糖浓度的测定[8]（图2）。

图2 便携式血糖仪工作原理图

　　便携式血糖仪检测过程简单，反应时间短，检测结果准确，诚然是一种理想的电化学生物传感，但其只能对葡萄糖响应，局限性较强。现今，突破便携式血糖仪局限的研究与日俱增，便携式血糖仪的应用范围逐渐扩大，在疾病诊断、食品安全、环境分析等领域都有其身影。

信号转导与放大

　　使用便携式血糖仪检测非葡萄糖分析物的策略中，信号转导与放大是一关键要素。常见的转导和放大思路有通过酶促产生葡萄糖或使用纳米材料包封葡萄糖进行信号的转导与放大。

　　酶是电化学生物传感器中常见的一种信号标志物，能够高效的对检测信号进行放大，广泛用于电化学检测[9]。酶促产生葡萄糖是通过酶催化其他物质水解成为葡萄糖，再使用便携式血糖仪对葡萄糖进行检测，进而将葡萄糖检测与其他靶标的检测联系起来，用葡萄糖的浓度来量化样品中存在的其他目标靶标，实现血糖仪对非葡萄糖分析物的检测（图3a）。首篇便携式血糖仪检测非葡萄糖分析物的报道由陆艺等[10]发表，他们正是使用酶促产生葡萄糖的方法，将转化酶与适配体偶联，通过靶标诱导转化酶释放，使蔗糖转化为葡萄糖，通过血糖仪对转化的葡萄糖进行检测，进而对靶标进行定量。能够生成葡萄糖的酶除了转化酶[11]外还有葡糖淀粉酶[12]和淀粉葡萄苷酶[13]等。

　　纳米颗粒在血糖仪新策略中通常作为基底材料，它不仅具有较大的比表面积和高电转移能力，还具有良好的催化活性，可以使更多的酶和核酸适配体修饰在其表面，进而实现信号的放大与转导。但酶的修饰过程较为复杂，且酶的催化效率往往会受到pH、温度等环境因素影响，在处理过程中也会有大量损耗。所以有些研究者将酶或葡萄糖包封在纳米材料中，减少酶的损耗，让更多的酶参与到反应中，通过控制酶或葡萄糖的释放使血糖仪响应，实现信号转导的同时也可以放大信号（图3b）。可以进行包封的纳米材料有脂质体[14]、水凝胶[15]、金属框架[16]等，它们具有优秀的负载能力。

　　纳米材料在便携式血糖仪新策略的应用，不仅可以有效提高血糖仪检测系统的稳定性和生物相容性，在很大程度上也会改善血糖仪的灵敏性和特异性[17]。

图3 便携式血糖仪检测其他物质主要方法

（a）酶促产生葡萄糖使便携式血糖仪响应；（b）脂质体包封葡萄糖控制葡萄糖的释放使便携式血糖仪响应。

展望

　　便携式血糖仪是一种广泛使用的微型电化学传感器，具有体积小、测量简便，成本低等优势，使用者能够实现快速居家自检。核酸适配体具有亲和力高、特异性强、易于制备、毒性低等优点，在分析化学、临床医学检测等领域已经成为重要的研究工具。近年来，研究者们通过构建核酸适配体分子识别转换工具，实现了便携式血糖仪检测多种非葡萄糖类生物标志物的应用，目前血糖仪可用于蛋白质、小分子、核酸、病毒、酶、重金属离子等非葡萄糖类物质检测，推动了疾病标志物自测技术的发展。但基于核酸适配体与便携式血糖仪检测非葡萄糖靶标的研究仍处于初级阶段，存在很多缺点和不足，比如核酸适配体筛选较为复杂、适用范围不够广泛、信号放大与转导的方式相对较少、在检测前需对样本预处理、处理过程较为繁琐复杂等。相信随着研究的不断深入，便携式血糖仪检测其他分子标志物的策略将逐渐完善，使便携式血糖仪具有更广泛的应用前景。（详情请点击阅读原文）

　　参考文献

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　　[8] 陈妍. 便携式血糖仪快速检测食品安全微生物的研究 [D]; 浙江工商大学, 2015

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　　[17] Ju H. Functional nanomaterials and nanoprobes for amplified biosensing. Appl Mater Today, 2018, 10: 51-71

　　作者简介

　　方依：中南民族大学生物医学工程学院硕士研究生；研究方向：新型生物医学探针技术基础及应用。

　　刘超：中南民族大学生物医学工程学院讲师；研究方向：新型生物医学探针技术基础及应用。

（作者：方依、刘超）

（本文来源于公众号：生物化学与生物物理进展）