近年來，人們對葡萄糖傳感方法（例如光學、電化學和場效應晶體管（FET）器件）進行了廣泛的研究。目前，市場上主要利用電化學血糖儀進行葡萄糖濃度的監測。總體而言，石墨烯、碳納米管、金屬氧化物（例如氧化銅（CuO）、氧化鋅（ZnO）、三氧化二鐵（Fe2O3）、二氧化鈦（TiO2）、氧化銀（Ag2O）、二氧化錫（SnO2）），以及聚合物（例如乙二醇、苯硼酸）等已被制備用于葡萄糖傳感。

在上述材料中，石墨烯常被用于葡萄糖傳感器，因為它成本低，并且具有檢測葡萄糖的高電催化性能。氧化石墨烯（GO）由于其良好的電子傳遞能力、高生物分子親和性、高電化學活性、高化學穩定性、良好的物理性質、高表面體積比、優異的遷移率和高柔韌性，是一種最常見的用于葡萄糖高選擇性、高靈敏度傳感的高性能二維材料。聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）是一種需求量很高的聚合物，因為它具有非凡的特性和關鍵的優勢，例如增強的導電性、電穩定性和柔韌性。目前，PEDOT: PSS已經被用于改善納米材料的傳感性能和結構不穩定性。

電化學生物傳感器通常采用三電極系統，由工作電極、對電極和參比電極組成。這種方法的缺點是葡萄糖檢測過程復雜，構建的葡萄糖檢測裝置體積較大，需要一個恒電位儀，而且穩定性不好。

據麥姆斯咨詢報道，近期，為了解決以上問題，伊朗設拉子科技大學（Shiraz University of Technology）的研究人員設計了一種便攜式雙電極智能血糖儀，用于血糖濃度的高靈敏度監測。相關研究成果以“Development of a portable smart Glucometer with two electrode bio-electronic test strip patch based on Cu/Au/rGO/PEDOT:PSS”為題發表在Scientific Reports期刊上。

圖1 基于還原氧化石墨烯（rGO）/PEDOT:PSS的生物電子傳感器示意圖及其傳感機制

該血糖儀利用生物電子測試條貼片來進行葡萄糖濃度的檢測，該測試條貼片上集成了叉指電極以及其上修飾的銅（Cu）/金（Au）/rGO/PEDOT:PSS。此外，該血糖儀還集成了以mg/dl為單位的顯示葡萄糖濃度的有機發光二極管（OLED）屏幕、用于信號處理的微控制器，以及集成在印刷電路板（PCB）上的用于無線傳輸的藍牙模塊。整個血糖儀系統的電源是一塊電壓為9 V的電池。

圖2 （a）血糖儀示意圖；（b）利用Altium Designer程序設計的電路板的示意圖；（c）制備的血糖傳感器實物圖

圖3 （a）便攜式智能血糖儀使用流程示意圖；（b）血糖儀工作算法

該血糖儀的葡糖糖濃度檢測原理是，當葡萄糖氧化酶（GOx）與葡萄糖分子反應時，就會釋放出過氧化氫（H2O2）。在偏置電壓下，過氧化氫被解離成電子。因此，釋放的電子與多數空穴載流子重新結合。隨著葡萄糖濃度的增加，更多的空穴被重新結合，最終導致傳感器的電導率降低。

研究結果表明，這種基于雙電極的智能血糖儀的檢測性能要優于市場上現有的三電極電化學測試條。首先，該血糖儀具有良好的電催化性能，表明其可以實現血糖的高性能傳感。其次，該血糖儀在響應時間、檢測范圍和檢測限等方面均優于商用電化學測試條。該血糖儀可在0 ~ 100 mM的寬檢測范圍內監測血糖，并且其檢測限極低，僅為1 μM。此外，該血糖儀的靈敏度為5.65 mA/mM，并且具有高選擇性、高再現性以及穩定性好等優異的傳感性能。最后，在利用11份人體血液和血清樣本進行的人體試驗中，該血糖儀具有較高的臨床準確性，最佳相對標準偏差（RSD）值為0.012。

圖4 葡萄糖濃度為1 μM ~ 100 mM時，基于rGO/PEDOT:PSS的葡萄糖生物傳感器的電學特性

圖5 基于rGO/PEDOT:PSS的葡萄糖生物傳感器的（a）選擇性、（b）穩定性、（c）重復性和（d）再現性

綜上所述，該研究提出了一種基于新穎設計理念的生物電子測試條貼片，解決了傳統電化學檢測方法中所遇到的挑戰。生物電子傳感器是微電子領域的智能工具，它為體內植入、有創、微創和可穿戴的生物傳感器開辟了可能性。研究結果表明，生物電子技術比目前市場上用于血糖監測的電化學血糖儀技術更好，更靈敏，也可以用于可穿戴設備，以實現對血糖水平的連續且準確的監測，并且還可以與其它生物微芯片集成。

此外，這項工作的新穎之處在于，作為活性材料的rGO和PEDOT:PSS的特殊形態使其獲得了高靈敏度和高傳感性能。該傳感器的另一個新穎之處是結合了Cu、Au、rGO和PEDOT:PSS四種材料來制造生物電子傳感器。其中，使用增強PEDOT:PSS敏化度的rGO提高了傳感器在檢測限和靈敏度方面的性能。此外，金屬Au和Cu的摻入增強了葡萄糖氧化的電催化劑活性，從而可以產生更多的電子，并通過半導體實現更快的電子傳遞。最后，該傳感器采用一種簡單而經濟的（滴鑄）方法制造，比傳統的電化學方法簡單和便宜得多，同時具備有競爭力的性能，少量（僅1 μL）葡萄糖溶液就足以使傳感器準確響應。

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審核編輯：劉清