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便携式血糖仪：技术发展趋势及分析处理中的潜在应用

Linan Zhang amp; Chunchuan Gu amp; Huan Ma amp; Langlang Zhu amp; Jiajun Wen amp; Hanxiao Xu amp; Hongying Liu amp; Lihua Li

摘要

血糖仪是一种用于测定血糖浓度的电子医疗设备。这些血糖仪经历了五个发展阶段：水洗式血糖仪、擦血式血糖仪、比色法血糖仪、电化学式血糖仪和微型多点血糖仪。血糖仪具有速度快、携带方便、成本低、操作方便等优点，已广泛应用于临床诊断。近年来，目标识别元件（抗体-抗原识别、核酸杂交、酶识别和点击化学）与信号传导及扩增策略（葡萄糖生成酶、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）-生成酶、封装葡萄糖、纳米材料和DNA的循环扩增）的耦合被广泛利用，使得人们能够通过血糖仪的信号和目标浓度之间的关系来确定各种指标。本文首先简要回顾了血糖仪的发展历程和工作原理。然后，详细介绍了血糖仪在各种分析中的应用，包括生物医学分析、食品分析和环境分析。最后，对血糖仪的发展前景进行了展望。

关键词： 血糖仪 生物医学分析 食品分析 环境分析

简介

近年来，老年人口显著增加，导致慢性病患者人数越来越多。因此，探索一些帮助他们进行自我检查的人性化医学技术与工具是非常必要的。即时检验（POCT）就是其中一种医疗技术。POCT由国家临床生物化学科学院定义为一种医学诊断测试在临床实验室外并临近病人接受治疗的地方。通常由非实验室人员或患者本人执行（自测）。简而言之，POCT是指所有测验都在传统的、核心的或中心的实验室之外进行，由于其速度快、便携性高、成本低、操作方便等特点，未来有望得到广泛应用和进一步发展。POCT技术的一个重要发展趋势是多用途特种检测，即使用专门的用于检测多个对象（双倍用途）的POCT仪器（特种专业）进行检测。它致力于把研究人员从二次仪表的发展中释放，使他们能够专注于初级仪器的开发，即如何转换目标的定性和定量信息，使目标变成可测量的物理信号。这不仅是有助于缩短新POCT技术的开发周期，降低开发成本，同时使用户更容易接受新技术，减少使用困难

并降低维护成本。因此，它已成为将成熟的POCT技术应用于分析的趋势。POCT能够用一台仪器检测多种物质，从而可以有效地提高分析效率并降低成本。

众所周知，作为最成熟的POCT技术之一，血糖仪用于检测葡萄糖含量并在医学领域发挥了非常重要的作用。由于其携带方便，高效快速，低成本，易于操作，以及准确可视化的结果，血糖测仪已经被广泛地应用于医疗领域，特别是对于糖尿病患者在家或医院的快速诊断和监测。近几十年来，随着市场需求的增加，在这一领域取得了显著的突破， 血糖仪精确、便携，易于使用且具有成本效益，已经在人们的日常生活中很常见了。但是，现有的血糖仪只能检测葡萄糖含量在0.6-33 mmol / L（10-600 mg / L）浓度范围内的血样。如果现有的血糖仪可用于检测多种物质，如肿瘤标志物和重金属离子，并应用于各个领域，包括疾病诊断，食品安全检测，环境分析，那么过程中的风险和成本可以大大降低。到目前为止，该领域的研究人员已经做了很多工作。 在本文中，首先简要回顾并介绍了血糖仪的发展和机理，然后，对更多关于血糖仪应用的细节进行描述，包括生物医学分析，食品分析和环境分析。 最后，就血糖仪未来发展问题与前景进行讨论。

便携式血糖仪技术的发展趋势（PGMs）

血糖仪的历史可以追溯到公元前1500年——医生观察到B型萎缩病患者的尿液可以吸引蚂蚁，因此推断患者尿液中含糖并应用这一发现进行糖尿病的诊断。现代血糖仪首次出现于1957年，当时弗瑞将葡萄糖氧化酶（GOx）应用于干燥试纸来制成尿液测试条，并通过肉眼比色法测量尿液中的糖含量。但第一台实用型血糖仪是由汤姆· 克莱门斯于1968年发明的，并最终由拜耳公司生产。从那以后，血糖仪一直在快速发展。在过去的40年里，它经历了五个阶段（图1）。 第一代血糖仪就是我们所说的水洗式血糖仪。 它是由拜耳于1970年开发的。它的使用方法与pH试纸相同，依靠比色卡进行颜色对比。因为它需要操作员擦拭掉血液，所以对使用者来说并不是很方便。此外，当试纸颜色落在卡片上的颜色之间时，读数可能不准确并且很容易导致错误。为了解决这个问题，拜耳公司于1980年开发了第二代血糖仪，即所谓的擦拭式血糖仪，它体积小，使用方便，但仍需要擦拭过程。为了彻底解决这个问题，强生集团于1987年推出了One Touch，这是一种不需要擦拭过程的比色法血糖仪。上述三代血糖仪原则上都是光电式血糖仪。相对而言，电化学式血糖仪尺寸更小，反应更快，更易于使用。因此，雅培集团于1986年推出了第四代血糖仪，一种电化学血糖仪，并很快成为20世纪90年代的主流血糖仪。然后，为了解决血液采集量的问题，实现微量和多点血液采集，TheraSense开发了第五代血糖仪，实现了微量和多点血液采集，从而将血糖仪的技术质量提高到了新的高度。

汤姆·克莱曼斯发明第一台血糖仪

第三代

第五代

微量多点式血糖仪

第四代

电化学血糖仪

比色法血糖仪

依据蚂蚁诊断糖尿病

第一代

水洗式血糖仪

第二代

擦血式血糖仪

福瑞发明试纸

图1：血糖仪发展史

目前，最常见的便携式血糖仪是电极型血糖仪，它是一种电流模式酶传感器。其工作机理描述如下：首先，使用一次性酶修饰的丝网印刷电极作为传感器，葡萄糖与酶相互作用后，产生的电子通过导电介质传递到电极。然后电极在恒定电压下产生电流，电流大小和葡萄糖浓度之间通常存在线性关系，因此可以间接获得血液中的葡萄糖浓度。最常见的酶是葡糖糖氧化酶（GOx）和葡萄糖脱氢酶（GDH）。这两种酶的还原电位，稳定性，转换率以及对葡萄糖的亲和力和选择性不同。最近发现GDH家族中的两种酶——烟酰胺腺嘌呤二核苷酸辅酶（NAD-GDH）和黄素腺嘌呤（FAD-GDH），不仅对葡萄糖具有高度特异性，而且对氧不敏感，这两者已经被开发出来，在未来潜在的应用方面具有一定前景。

目前的血糖仪已经能够满足糖尿病患者血糖含量的检测要求。 ISO15197对血糖仪的准确性也有严格的标准。这可以帮助患者随时掌握自己的病情，及时接受治疗，最终改善糖尿病、肾病和其他疾病患者的健康状况。然而，这些仪器只能检测单个目标，这在应用上非常有限。 如果必须为每种待测物质开发相应的POCT分析仪，那将是非常繁复且昂贵的。因此，在分析领域中利用和应用现有的成熟技术（例如移动终端、便携式POCT分析仪）已成为必要趋势。

便携式血糖仪在分析领域的潜在应用

近年来，便携式血糖仪由于其便携性，速度快，成本低，操作简便，结果准确可视，已被广泛应用于分析领域，特别是生物医学分析，食品分析和环境分析。本文详细阐述了便携式血糖仪在这三个方面的研究进展。

生物医学分析

蛋白质检测

作为生命中重要的基本物质和生物体内所有组织的组成部分，蛋白质在生命现象和生命过程中起着决定性的作用。最近，随着人类蛋白组计划的发展，人们发现了许多未知的蛋白质。因此，开发一种快速，高灵敏度的蛋白质检测技术，对于揭示生命之谜、诊断和治疗疾病、筛选药物等都至关重要，这已成为分析科学研究的焦点。

疾病标志物可用于诊断疾病，判断病情的阶段，也能评估新药或新疗法对其目标使用者的安全性和有效性。2011年，陆等人，首先报道了基于血糖仪和功能性DNA传感器的疾病标记物干扰素-gamma;（IFN-gamma;）的定量检测。据报道，这是第一次成功应用血糖仪检测非葡萄糖分子。在他们的研究中，转化酶和磁珠首先通过DNA缀合以形成磁性复合物，当靶标出现时，转化酶从磁珠释放到溶液中并催化蔗糖水解成葡萄糖。 最后，用血糖仪检测葡萄糖。 该研究在生物分析杂志中作为生物医学分析领域的最新研究成果进行了报道。

肿瘤标志物是特征性地存在于恶性肿瘤细胞中的蛋白质，它可以反映肿瘤的形成和发展，并用于监测肿瘤对治疗效果的反应。近年来，科学家们已经尝试使用血糖仪检测这些蛋白质。 Lu等人，提出了一种便携式、低成本的方法来检测前列腺特异性抗原（PSA），一种前列腺癌标记物。如图2所示，磁珠（MB）首先用PSA抗体修饰并与靶标结合。接下来，将抗体修饰的转化酶与上述缀合物结合，形成夹心复合物，然后夹心中的转化酶将蔗糖水解成葡萄糖，最后使用血糖仪检测。检测限为0.4 ng / mL。遵循同样的原则，项等人，开发了一种利用血糖仪检测癌胚抗原的新技术。林等人，提出了一种能够定量检测血小板衍生生长因子-BB（PDGF-BB）的新方法。为了提高灵敏度，一方面使用了不同的材料，包括金纳米粒子、花形金纳米粒子、支链铂纳米线、脂质体和支化聚苯胺纳米纤维来加载酶，如转化酶和淀粉酶，用于检测生长因子CA-125——神经元特异性烯醇化酶，和其他肿瘤标志物。另一方面，纳米材料也用于修饰底物，增加其表面积，改善抗体或适体加载，最后放大信号。例如，罗等人和陈等人分别将金纳米颗粒应用于96孔板和丝网印刷电极以增加抗体和肽的负载。林等人进一步提出通过使用基于葡萄糖包被的脂质体和血糖仪的信号增强探针检测在丝氨酸-15（磷酸-p5315）上磷酸化的蛋白53质。在他们的研究中，第一抗体修饰的磁珠首先通过免疫反应与靶标结合，然后与涂有葡萄糖分子的脂质体表面上的第二抗体反应。磁性分离后，加入Triton X-100并破坏脂质体的球形结构。最后，使用血糖仪检测释放的葡萄糖分子。

血糖仪

糖分

夹心复合体

分离

转化酶结合物

标靶界定

修饰

样本

磁珠（MB）

图2：通过抗PSA包被的MB和使用PGM的转化酶缀合物对PSA进行夹心测定

在其他疾病标志物中，肌红蛋白是急性心肌梗塞最敏感的早期指标物质。王等人设计了一种夹心免疫传感器来检测肌红蛋白的含量。在他们的研究中，首先将肌红蛋白抗体应用于96孔板并与肌红蛋白结合，然后肌红蛋白与适体修饰的转化酶反应形成夹心复合物。之后夹心复合物中的转化酶将蔗糖水解成葡萄糖。最后，通过用血糖仪测量葡萄糖来确定肌红蛋白的含量。检测限为50 pmol / L。胰岛素和糖基化血红蛋白的检测量可以反映过去几个月的血糖控制程度，在监测糖尿病方面具有重要意义。他们的决心是通过L陆等人提出的一种新方法实现的，使用血糖仪并基于与上述相同的原理。血管内皮生长因子（VEGF）是一种高度特异性的信号蛋白，可促进新血管的生长，并参与许多血管生成依赖性疾病的发病机制和进展。通过朱等人开发的高灵敏度适体免疫测定法以及基于血糖仪和杂交链式反应来实现VEGF的测定。乙型肝炎表面抗原（HBsAg）是乙型肝炎病毒的主要标志物，使用基于Fe3O4和Al2O3纳米颗粒的廉价、使用方便且高度灵敏的酶联免疫吸附测定法（ELISA），由Taebi等方法确定HBsAg。

除此之外，血糖仪还可以用于检测其他蛋白质的含量并评估抗原—抗体相互作用。血小板衍生生长因子（PDGF）是一种储存在血小板alpha;-颗粒中的碱性蛋白质。洪等人在他们的报告中提出了一种基于血糖仪的检测方法，该方法能够通过阳离子交换反应与催化发夹反应偶联来实现信号放大检测限为0.11 fmol / L。

核酸检测

随着对基因结构和功能研究的深入，特别是人类基因组计划的不断加速，核酸研究在生命科学的发展中发挥着极其重要的作用。生物组织、细菌和病毒都具有独特的核酸序列，这些特定序列的低浓度检测在抗癌药物的开发、药理学分析和鉴定、疾病的早期诊断和治疗中具有深远的意义。三磷酸腺苷（ATP）是一种以细胞内能量传递的B分子储存和传递化学能的核苷酸.唐等人建立了一种以葡萄糖分子为信号探针的多孔硅在血液上检测ATP的新方法，血糖仪用于信号读数。在他们的研究中，首先将胺化的DNA1移植到多孔硅上。然后通过Au-S键将DNA2固定在5nm金纳米颗粒上。在添加适体后，将DNA1、适体和DNA2杂交并互相补充以形成三链复合物，它可以阻断多孔硅的孔并保留葡萄糖。当ATP存在时，适体将优先与ATP结合从而使多孔硅释放葡萄糖。然后用血糖仪测定释放的葡萄糖量，检测限制为8mu;mol/ L。杨等人则基于葡萄糖淀粉酶修饰的适体水凝胶和血糖仪建立了一种新的ATP检测方法。首先，通过将适体与部分互补的DNA聚合物链杂交，形成固定有葡糖淀粉酶的适体交联水凝胶。然后引入靶DNA并与适体结合，水凝胶结构被破坏，葡萄糖淀粉酶被释放。之后，葡糖淀粉酶催化淀粉水解成葡萄糖，最后用血糖仪检测。朱等人已经开发出一种基于血糖仪检测DNA氧化损伤的方法。

然而，大多数核酸的检测仍然集中在特定序列上。将DNA修饰的磁珠和转化酶与靶DNA杂交，陆等用血糖仪测定DNA的含量，检测限为40 pmol / L。 柴等人则成功地通过血糖仪检测HIV相关的DNA序列。众所周知，核酸分子的体外扩增技术可以有效地提高分析的灵敏度。目前常用的扩增技术包括切口酶扩增、链置换扩增、滚环扩增和杂交链扩增。将体外扩增技术与血糖仪结合有助于提高核酸测试的灵敏度。外切核酸酶III（Exo-III）可催化双链DNA的切割和5#39;-单核苷酸在3#39;—5#39;方向从3#39;-OH末端释放。徐等人建立了一种基于Exo-III辅助信号放大技术和血糖仪，具有便携性、高灵敏度的DNA检测方法。如图3所示，接头DNA与辅助DNA相互作用形成复合物。如果存在，靶DNA可以与复合物中的单链DNA片段杂交。然后在Exo-III的作用下获得靶DN

资料编号：[4646]