基于微針的葡萄糖傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

世界范圍內(nèi)糖尿病患者人數(shù)正在以前所未有的速度增長(zhǎng)，而目前的血糖檢測(cè)手段主要是通過(guò)指尖采血進(jìn)行比色或酶電化學(xué)檢測(cè)，均屬于非連續(xù)性檢測(cè)。微針（microneedle，MN）陣列可以無(wú)痛穿透皮膚表皮層到達(dá)真皮層，從而將藥物的滲透率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并可實(shí)現(xiàn)微量采樣和檢測(cè)功能。此外，雖然電化學(xué)酶基葡萄糖傳感器具有良好的靈敏度、特異性選擇性和較寬的線性范圍，但存在檢測(cè)時(shí)酶容易脫落、在較高電位下酶容易失活等問(wèn)題。導(dǎo)電高分子聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）具有低氧化電位、良好的穩(wěn)定性、高電導(dǎo)率、快速電子轉(zhuǎn)移的特性，在形成薄膜時(shí)可以提供較多的分子包埋位點(diǎn)，利于酶的固定，可作為修飾聚合物微針的材料。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，北京化工大學(xué)的研究人員于《傳感器與微系統(tǒng)》期刊發(fā)表題為“微針葡萄糖傳感器的制備與性能研究”的文章，提出了一種將酶包覆在微針表面修飾材料導(dǎo)電高分子PEDOT中的方法。首先，基于熔融熱壓法制備了聚乳酸（PLA）微針陣列，然后在微針表面修飾導(dǎo)電銀（Ag）層，再采用電沉積法將葡萄糖氧化酶（GOx）包埋在PEDOT高分子膜中，最后，用循環(huán)伏安（CV）法和計(jì)時(shí)電流法測(cè)定傳感器的性能指標(biāo)。

基于微針的葡萄糖傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于微針的葡萄糖傳感器由內(nèi)至外分為3層，如圖1所示。第一層為微針基體層，所用材料為PLA，該材料具有可降解的特性；第二層為惰性金屬層，材料選擇具有較好導(dǎo)電性能的Ag，以用于連接外接電路；第三層（最外層）為包覆GOx的導(dǎo)電高分子層。PEDOT導(dǎo)電高分子層通過(guò)電沉積法制備，用該法制備PEDOT薄膜時(shí)可以很好地將GOx固定。

圖1 基于微針的葡萄糖傳感器的結(jié)構(gòu)

微針陣列結(jié)構(gòu)的表征

利用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)PLA微針外形結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由圖2（a）的測(cè)量結(jié)果可知，單個(gè)微針呈圓錐形，微針平均高度為548 μm ± 10 μm，基底直徑和針尖平均直徑分別為284 μm ± 15 μm和60 μm ± 10 μm。圖2（b）為光學(xué)顯微鏡觀察下的鍍Ag微針結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)，陣列微針表面Ag層較完整、均勻。

圖2 光學(xué)顯微鏡下未鍍Ag的PLA和鍍Ag后的PLA微針結(jié)構(gòu)

循環(huán)伏安特性測(cè)試

為了確定PEDOT-GOx/Ag微針對(duì)葡萄糖的最佳響應(yīng)，將修飾好的微針電極陣列浸入15 mmol/L的葡萄糖溶液中。給該體系施加掃描范圍為0 V ~ 1 V、掃描速率為50 mV/s的三角波電壓，進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)試。圖3給出了PEDOT-GOx/Ag微針在葡萄糖溶液中的CV測(cè)試結(jié)果。由測(cè)試結(jié)果可知，該傳感器在0.42 V時(shí)對(duì)葡萄糖有最佳響應(yīng)，其電流達(dá)到峰值2.38 mA，因此取該電位作為后續(xù)的工作電位。

圖3 基于微針的葡萄糖傳感器在10 mmol/L的葡萄糖溶液中的循環(huán)伏安測(cè)試

線性范圍與靈敏度測(cè)試

首先，將PEDOT-GOx/Ag微針浸入PBS緩沖液（溶液體積為100 mL）中；然后，分批次向反應(yīng)槽中加入90 mg葡萄糖粉末（葡萄糖濃度依次為5 mmol/L、10 mmol/L、15 mmol/L、20 mmol/L、25 mmol/L、30 mmol/L、35 mmol/L，整個(gè)過(guò)程都有磁力攪拌器進(jìn)行攪拌），使用計(jì)時(shí)電流法進(jìn)行連續(xù)響應(yīng)測(cè)試，響應(yīng)電流隨時(shí)間變化結(jié)果圖4所示。

圖4 基于微針的葡萄糖傳感器對(duì)葡萄糖的連續(xù)響應(yīng)測(cè)試

取每個(gè)濃度中曲線穩(wěn)定段的平均電流值，對(duì)其進(jìn)行線性擬合，所得擬合曲線方程為y = 0.213x - 0.706（R2 = 0.997）。如圖5所示，計(jì)算出該基于微針的葡萄糖傳感器的靈敏度為0.21 mA/（mmol/L），設(shè)計(jì)的微針傳感器在葡萄糖濃度為5 mmol/L ~ 35 mmol/L中具有良好的線性度。

圖5 基于微針的葡萄糖傳感器對(duì)不同葡萄糖濃度的電流響應(yīng)

響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

將基于微針的葡萄糖傳感器在低濃度溶液里靜止穩(wěn)定一段時(shí)間后，向溶液中分兩次分別加入9 mg葡萄糖粉末，通過(guò)電化學(xué)工作站對(duì)響應(yīng)電流進(jìn)行持續(xù)測(cè)量，所得響應(yīng)曲線如圖6所示。由曲線變化可以觀察到，當(dāng)兩次向溶液中加入葡萄糖粉末時(shí)，響應(yīng)電流分別由5.18 mA和5.6 mA迅速上升至8.10 mA和8.63 mA，后略微下降至5.6 mA和7.1 mA后趨于穩(wěn)定。在加入葡萄糖粉末起始階段，靠近微針工作電極的局部葡萄糖濃度迅速上升，隨后因?yàn)檗D(zhuǎn)子攪拌和物質(zhì)擴(kuò)散作用，葡萄糖溶液的濃度趨于穩(wěn)定。響應(yīng)時(shí)間定義為加入葡萄糖粉末時(shí)的極限電流與未加粉末之時(shí)的電流的時(shí)間間隔。測(cè)試結(jié)果顯示，該研究設(shè)計(jì)的基于微針的葡萄糖傳感器的平均響應(yīng)時(shí)間僅為9 s。

圖6 基于微針的葡萄糖傳感器的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

抗干擾性測(cè)試

在存在外源性干擾物質(zhì)（如抗壞血酸（AA）、尿酸（UA））的情況下，用標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液評(píng)估該傳感器的選擇性。這些干擾物具有與葡萄糖相似的氧化電位，可能影響葡萄糖的響應(yīng)信號(hào)。將所有干擾物質(zhì)溶解于PBS中，制備成5 mmol/L的樣品（pH為7.4），并進(jìn)行峰值試驗(yàn)。在施加正0.42 V的電位時(shí)，葡萄糖和干擾樣品的電流響應(yīng)變化如圖7所示。由圖中可知，當(dāng)向溶液體系中分別滴加5 mmol/L AA和5 mmol/L UA干擾樣品時(shí)，無(wú)明顯電流波動(dòng)；而當(dāng)增大葡萄糖濃度時(shí)，電流迅速上升。這說(shuō)明設(shè)計(jì)的微針傳感器具有較好的葡萄糖傳感特異性。

圖7 基于微針的葡萄糖傳感器的抗干擾測(cè)試

綜上所述，該研究提出的基于微針的葡萄糖傳感器制備流程相對(duì)簡(jiǎn)便，適合批量生產(chǎn)；且該傳感器具有較優(yōu)的性能，其線性范圍為0 mmol/L ~ 35 mmol/L，靈敏度為0.21 mA/（mmol/L），響應(yīng)時(shí)間為9 s；最后，該基于微針的葡萄糖傳感器尺寸小、線性度好，可以集成到小型化、便攜化設(shè)備當(dāng)中，為微針無(wú)創(chuàng)檢測(cè)人體生理指標(biāo)的實(shí)際應(yīng)用提供了一定技術(shù)基礎(chǔ)。

編輯：黃飛