糖尿病是最常见的代谢性疾病之一，方便准确检测代谢物水平对疾病管理和治疗都有重要作用。近年来，人们引入了一种测量间质液中葡萄糖水平的连续血糖监测 (Continuous Glucose Monitoring, CGM) 系统。临床研究表明，糖尿病患者易出现多种并发症，且与体内其他代谢物水平密切相关。然而，现有 CGM 设备是为检测单一代谢物而设计的，不能满足同时检测多种代谢物的需要。因此，迫切需要开发出一种灵活的多分析物电化学生物传感器用于同时检测体液中的葡萄糖、乳酸、尿酸等不同成分。

清华大学医学院刘铭杨、王晗教授、程京院士团队等学者在 Biosensors 期刊上发表了题为“A Flexible Dual-Analyte Electrochemical Biosensor for Salivary Glucose and Lactate Detection”的研究文章。文中设计开发了一种双通道电化学生物传感器，用于同时检测唾液中的乳酸和葡萄糖。实验证实，该生物传感器具有较高的灵敏度和与唾液代谢物较为匹配的线性范围，且检测过程中两种分析物之间基本无串扰影响。

研究过程

实验采用柔性 PET 作为电极的基板，利用二茂铁作为电子介质，实现酶与电极的分子布线，避免了两个电极间的串扰和潜在信号干扰。生物传感器通过共享参比电极和辅助电极进行检测，同时采用定时调制数据采集方法检测多种分析物的响应信号 (如图1 所示)。

图1.  双分析物生物传感器的制造过程示意图。插图为双分析物生物传感器的照片。

研究内容

●电化学表征

随着扫描速率的增加，氧化电流和所有循环伏安曲线的峰值氧化电流都在增加 (如图2a 所示)。CV 曲线的氧化还原峰表现出典型的可逆电化学反应特征，其中反应速率由活性物质向电极表面的扩散速率控制。此外，在 20 至 200mV/s 范围内，峰值电位的位置不随扫描速率的变化而改变， Ipa 与 Ipc 大致相等 (如图2b 所示)。上述结果表明，该生物传感器表面电荷转移的速度足够快。 

图2. (a) 不同扫描速率：20–200mV/s下的循环伏安图；(b) 阳极 (Ipa) 和阴极峰值电流 (Ipc) 与扫描速率平方的校准曲线。

●灵敏度测试

双通道生物传感器在葡萄糖和乳酸检测中具有较高的灵敏度，并且呈现出良好线性。随着葡萄糖浓度从 0μM 增加到 1000μM，响应电流逐渐增加 (如图3a 所示)。乳酸检测有类似现象 (如图3b 所示)，最终计算得到乳酸检测线性范围为 0μM 到 1.5mM，葡萄糖检测线性范围为 0μM 到 1mM。且在磷酸缓冲液中葡萄糖检测的灵敏度为 18.7μA/(mM·cm2)，而乳酸检测的灵敏度为 21.8μA/(mM·cm2)。

图3. 不同浓度 (a) 葡萄糖和 (b) 乳酸溶液的 I-t 曲线。(c) 响应电流与葡萄糖 (R2=0.9860, N=3) 浓度的线性拟合曲线；(d) 响应电流与乳酸 (R2=0.9876, N=3) 浓度的线性拟合曲线。

●干扰研究

测试开始后 20 秒，调整电解池中葡萄糖浓度为 500μM，此时葡萄糖通道的电流反应立即增加，响应电流升高，而乳酸通道的电流保持在低水平；再过 25 秒，调整电解池中乳酸浓度为 500μM 时，乳酸通道的电流响应增加，而葡萄糖通道的电流不受影响。而当在 150 秒时调整电解池中葡萄糖浓度为 1000μM 时，再次观察到仅有葡萄糖通道有电流响应变化 (如图4 所示)。这些结果表明，虽然双通道生物传感器的两个工作电极共用一对辅助电极和参比电极，但信号响应并没有相互串扰。此外，研究者还分别在 100s 和 220s 的时间点将电解池中尿素浓度调整为 4mM，抗坏血酸浓度调整为 10μM。此时，葡萄糖通道或乳酸通道中的响应电流均没有显著变化。因此，双通道生物传感器的良好特异性得以验证，两个检测通道之间的信号串扰被成功规避。

图4. 该生物传感器两个通道的电流响应。箭头为将分析物 (葡萄糖和乳酸) 和干扰物质添加到电解槽中的时间点。

●人类唾液测试

在 0.25V 偏置电位下测量了调整后葡萄糖终浓度为 200、400、600、800 和 1000μM 的人类唾液样品的电流响应。双通道生物传感器表现出优异的性能，具有较高灵敏度和匹配的线性范围。在测量唾液样品中葡萄糖时，双分析物生物传感器的灵敏度为 7.9μA/(mM·cm2)。

此外，测量了调整后乳酸终浓度为 500、600、700、800、900 及 1000μM 的人类唾液样品的电流响应。结果表明，在测量乳酸时，双通道生物传感器的灵敏度为 11.9μA/(mM·cm2)，与在缓冲介质中进行测量相比，在唾液样品中进行测量时，相同代谢物浓度增量引起的电流增量会较小，这可能是由于唾液的高粘度所致。结果表明，双通道生物传感器在实际唾液样本测量中也具有良好的性能。

图5. 人类唾液样品的电流响应：(a) 11 号样品 (添加了 0μM 葡萄糖和 1000μM 乳酸 (N=3 )) ；(b) 5 号样品 (添加了 1000μM 葡萄糖和 0μM 乳酸 (N=3 )) ；(c) 1-5 号样品 (分别添加了 200、400、600、800 和 1000μM 葡萄糖 (N=3 )) ；(d) 6-11 号样品 (添加了 500、600、700、800、900 和 1000μM 乳酸 (N=3 ))。

研究总结

这项研究利用二茂铁铁和 BSA/酶复合物对柔性丝网印刷电极进行改性，成功设计出可用于同时检测唾液中的葡萄糖和乳酸的双通道生物传感器。实验结果表明，该生物传感器对葡萄糖和乳酸表现出良好的响应性，其灵敏度分别达到 18.7 和 21.8μA/(mM·cm2)，对两种分析物的线性拟合度均在 98% 以上。此外，该生物传感器对两种分析物的信号响应没有串扰，表现出良好的鲁棒性。在此技术的基础上有望通过进一步研究开发出可用于监测唾液代谢物的可穿戴设备。

原文出自 Biosensors 期刊

Liu, M.; Yang, M.; Wang, M.; Wang, H.; Cheng, J. A flexible dual-analyte electrochemical biosensor for salivary glucose and lactate detection. Biosensors 2022, 12, 210.

微信链接：https://mp.weixin.qq.com/s/jIl3H5NoLaNmairfksbjfQ

Biosensors 期刊介绍

主编：Giovanna Marrazza, University of Florence, Italy

主要发表生物传感器及其技术和应用方面的研究论文。内容涵盖 DNA 芯片、微流体装置、纳米生物传感器及其应用、生物传感器制造、生物传感器材料、芯片实验室技术和生物传感器在生物医药、食品质量与安全等领域的应用。

2021 Impact Factor：5.743

2021 CiteScore：5.6    

Time to First Decision：15.5 Days

Time to Publication：37 Days