成都华西华科研究所分析基于反向离子电渗透原理的无创血糖检测 研究进展与糖尿病早期无创检测诊断方法

【摘要】无创血糖检测是近年来血糖检测的主要发展方向。基于反向离子电渗透原理的检测技术是 进行血糖无创检测的方法之一，它可以实现糖尿病患者血糖浓度的实时监控和及时检测，对预防并发症的 发生有重要意义。详细介绍了反向离子电渗透的原理、组织间液的提取以及低浓度葡萄糖传感器的设计方 法；概述了基于反向离子电渗透原理的无创血糖检测的国内外研究现状以及利用这项技术进行皮下组织 液里其它物质提取与检测的相关研究；最后讨论了反离子电滲透无创血糖检测技术存在的关键问题和解 决方法，为进行组织液的提取和葡萄糖浓度的检测以及基于反离子电渗透技术无创血糖检测仪的研制打 下基础。

〇引言

糖尿病患者需监控血糖浓度以减少并发症。传 统的血糖检测方法采用血液采样检测，但抽血或指 尖采样给患者带来了很大的痛苦，且还面临被感染 的风险。无创血糖检测可避免上述弊端，是血糖检 测的发展方向。目前无创血糖检测的研究方法较多， 常用的有光学方法和电化学方法。光学方法包括近 红外光谱法、中红外光谱法、偏振光法及拉曼光谱法

等^[1]。其中用近红外光谱法检测的研究相对较多，其 原理是在750~2 500 nm范围的波段可以探测人体 组织1~100 mm的深度，进入体内的光一部分被吸 收，另一部分被反射，利用葡萄糖对近红外区域的光 有强烈的吸收能力，通过检测被吸收和散射光的强 度可推算出人体血液中葡萄糖的浓度。但近红外光 谱主要是750~2 500 rnn范围的光，其缺点是信号虽 然穿透能力强但吸收不显著。中红外光谱法检测方 法中红外光谱波段的光虽然吸收显著，但其穿透能 力差，并且光谱测量存在多种干扰因素，导致信噪比 和测量精度较低，个体差异和检测条件对光谱测量 也有很大的影响^[2]。

与光学研究方法相比，采用反向离子电渗透原

理的电化学方法有以下优点:①可以通过组织液测 量血糖浓度。因为组织液是血浆从毛细血管壁滤过 而形成的，除不含大分子蛋白质外，其他成分基本与 血浆相同。②采用反向离子电渗透原理的皮下组织 液提取方法原理简单，操作方便，注入皮肤的电流大 小也容易控制^[3]。③采用专门的葡萄糖传感器可以 检测出低浓度组织液的葡萄糖浓度。目前葡萄糖传 感器可以检测到的葡萄糖浓度限为5~200 pmol/L， 基本可以满足低浓度葡萄糖的检测要求^[41。④利用 目前先进的集成电路芯片，容易实现模拟信号到数 字信号的转换以及数据显示、存储和微型化。

1反离子电渗透方法的原理

反向离子电渗透原理图见图1。皮肤表层正常 情况下带负电，而组织液主要离子是Na+和Cl-。如 果在皮肤表面放置2个电极，通过电极对皮肤施加 一定电压在正负极之间形成电势;在电场作用下，皮 下组织中的Cl-和Na+分别向正负极移动A即形成 一个从皮肤表层经过皮下组织再回到皮肤表层的直 流电流通道。由于皮肤在正常情况下带负电荷，直 流电流通道的主要电荷载体是带正电荷的Na+。Na+ 的电迁移就形成了一个由正极到负极的离子流，反 向离子电渗透技术就是利用这个离子流将皮下组织 液中的中性葡萄糖分子携带到皮肤表面^[M1;渗透出 的葡萄糖分子再与电极上的化学物质发生反应产生 电流，通过检测电极上电流可计算出电渗透携带出 的葡萄糖浓度,与人体血液中的血糖浓度比较进行 校正后，最后计算出人体的血糖浓度。

.葡萄糖生物传感器 .表皮

.皮下组织

■负离子■葡萄糖分子*正离子

图1反向离子电渗透原理图

2电极传感器

葡萄糖传感器一般采用金工作电极、金对电极 和Ag/AgCl参比电极三电极体系(图2)。利用溅射工 艺将Ag/A_gCl浆喷键在碳酸酿板上，形成基础电极; 再在工作电极上固定葡萄糖氧化酶(glucose oxidase, GOD)和辣根过氧化酶(horseradish peroxidase, HRP), 以锇氧化还原聚合物(Redox polymer)作为电子媒介 体。每个电极的面积约为1 cm²,制做成圆盘状，使用

时贴在皮肤上。

ns髓器¹传感器²

固定酶膜和凝 胶的工作电极

;C1参比电极

R1W1C1 C2W2R2

图2电极示意图

检测时，葡萄糖分子在电极电流作用下向阴极移 动并渗出体外，且在凝胶中向传感器的工作电极扩 散。微量葡萄糖分子在葡萄糖氧化酶的作用下生成 葡萄糖酸和H₂0₂，H₂0₂在HRP和电子媒介体的联 合催化作用下最终被还原，还原电流的大小与葡萄 糖浓度存在比例关系，通过特定算法计算出血糖浓度。 葡萄糖与葡萄糖氧化酶发生反应的化学方程式为 G0D+Glucose+H₂0~►GOD(RED)+Gluconic acid+H₂〇2

氧化反应 （1) H₂0₂ +HRP-〇H₂0+HRP-I         还原反应 （2)

3国内外研究现状

目前，国内外学者针对反向离子电渗透原理无 创血糖检测技术进行了广泛的研究。本文主要从以 下几个方面进行总结概括（把模拟实验归入到动物 实验里)。

3.1低浓度葡萄糖传感器的设计

国内有学者采用氧化还原聚合物制备了一种检 测H₂0₂的电流型生物传感器，具有灵敏度高、检出 限低、响应快等特点。杨庆德等^[8]利用锇氧化还原聚 合物(redox polymer)作为电子媒介体制成生物传感 器，具有较高的灵敏度，适于检测透皮获取的低浓度 葡萄糖;但同时也存在线性范围窄、高浓度范围内出 现非线性的问题。也有人以有机功能性材料二茂铁 作为电子媒介体制作了一种葡萄糖传感器，结果显 示在低工作电位下有较高的灵敏度和较宽的线性范 围。刘红敏等^[4]利用锇氧化还原聚合物与辣根过氧 化酶共价交联修饰薄膜金电极，使用戊二醛交联固 定葡萄糖氧化酶制得葡萄糖传感器，对传感器的制 备条件和其对低浓度葡萄糖的响应特性进行了研 究。结果显示，利用以上方法能够研制出高灵敏度 的低浓度葡萄糖传感器。姜利英等^[9]用锇氧化还原 聚合物修饰三电极体系葡萄糖传感器做反向离子抽 取实验，发现三电极传感器具有灵敏度高、稳定性好 及检测限低等优点。贺银增等^M研究在传感器中提 取和检测电路采用计时电流法即在三电极工作体系

条件下，把工作电极和参比电极间钳制恒定电位，并 在施加电位的同时，测量工作电极和对电极之间的 响应电流，保证了在提高抽取能力的同时不影响其 检测精度。Li等m利用纳米金等材料制作葡萄糖传 感器基础电极，发现可提高传感器的灵敏度和反应 时间。

3.2动物实验

刘剑等研制了一种基于反离子电渗透原理的 新型无创检测血糖的电化学生物传感器，利用此生 物传感器进行了裸鼠离体皮肤的葡萄糖透皮抽取和 检测实验，研究了化学促渗剂和电流切换技术对无 创血糖检测的影响。实验结果显示:使用化学促渗 剂后葡萄糖的渗透量得到了提高;采用电流切换的 间歇电流，能减缓长时间通电对皮肤的刺激。贺银 增等m设计了一款基于MSP430-F1611芯片的血糖 仪，配合其制作的三电极葡萄糖传感器，可实现对组 织液葡萄糖的无创抽取和低浓度葡萄糖的检测，在 低功耗方面取得了很好的突破。在模拟皮肤电阻阻 抗小于80 kn时，用恒流抽取;大于80 kfi时，用恒 压抽取的方法可减少皮肤的灼伤。日本学者山岗秀 亮^[13呻请了使用葡萄糖脱氢酶的葡萄糖浓度测定方 法和葡萄糖传感器的专利，即在〇.1~〇.5 W较小的 体积空间里，葡萄糖的测定范围为10~600mg/dl,但 该装置的缺点是测定浓度范围高，不能满足低浓度 葡萄糖检测的需要。Ching等M采用反向离子电渗透 原理在试管中用Na+膜模拟人体皮肤的特性，制作 特殊电极，通以恒定的电流，进行葡萄糖的提取，然 后再用分光仪检测葡萄糖和乳酸的浓度。结果显示， 反向电渗透方法检测值与分光仪检测值有较好的 相关性。2010年他们又提出了一种用于反离子电渗 透技术的含有二茂铁介质的葡萄糖传感器,即采用 丝网印刷技术在一个二维平面上印制基础电极，将 含有二茂铁的物质固定在基础电极上，并建立了实 验模型。实验结果显示:在参考电极的工作电位为 0.2 V时，传感器的检测范围在0~4 mmol/L,响应时 间为10 _S。Chang等^提出了基于反离子电渗透技术 的葡萄糖检测类似于具有多扩散效应的微量溶液控 制的电化学传感器的电流响应机制，并建立了相应 数学模型来描述平面电极的电流一时间响应关系。 在电极上构建了一个小体积的葡萄糖溶液收集器， 用来仿真反离子电渗透电极的传感检测要求;使用 计时电流法阐释了模型的正确性，随后用动物实验 验证了这个模型用来检测血糖的可行性。此方法的 结果准确地跟踪了真实值，得出了这种新方法的优 势和用于临床分析的潜在的价值。

3.3人体实验

有学者通过比较17例I型糖尿病患者前臂的 皮下组织间液、毛细血管血液及静脉血浆葡萄糖值， 其相关系数为0.95,绝对差为21 mg/dl，显示出皮下 组织间液葡萄糖浓度的检验极具可行性。Tamada 等^[16]通过低电流经由皮肤技术原理所测得葡萄糖值 与血糖值有很高的相关性，这种无创的葡萄糖检测 方法于是逐渐被越来越多的机构研究。Lia等™研究 了在体和离体状态下交流和直流反向离子电渗透皮 肤电阻率的变化。美国Cygnus公司利用反离子电渗 透法实现了真正意义上的体外无创血糖监测，其产 品GlucoWatch血糖仪在2001年获得了美国FDA 认证获准上市，但是只适用于18岁以上的糖尿病 患者，且使用前要用采血的测量进行校正。该仪器 利用电场来刺激皮肤，通过对皮肤的渗透作用，使一 部分葡萄糖分子穿过皮肤集聚在电极周围，然后用 生化方法测量；其可以每10 min自动提供一个读 数,并在校正后连续监测13 h，以反映血糖变化的趋 势^[181。Cygnus公司还于2007年10月宣布GlucoWatch 不仅可以自动监测血糖，而且其对低血糖的连续评 估优于目前应用的间断性手指针刺血糖检测法。这 些读值可以用来跟踪血糖的变化以弥补采血测量之 不足，但是它并不能取代采血检测的方式;而且该仪 器使用成本较高，需经常更换昂贵的测头^[19]。Tamada 等使用GlucoWatch进行了实验研究，对92例均 需注射胰岛素的I型或n型糖尿病患者进行检测。 仪器经过一次标定后对他们进行12 h的连续检测， 结果表明GlucoWatch平均有18 min的延时，与传统 的监测方法相比平均绝对误差为15_6%。后来Tierney 等^[20]又用GlucoWatch，在病房和家庭2个不同的环 境中对人体进行试验，得到的结果与用常规的血糖 检测结果进行相比，发现临床和家庭检测的血糖值 均与常规检测出的血糖值有较好的相关性。另外， Pitzer等[^21]研究表明，GlucoWatch在检测低血糖方面 效果较好;然而GlucoWatch血糖仪由于价格十分昂 贵，难以普及使用。GlucoWatch血糖仪4年前在全 球市场上已停止了销售。2007年，Ching等^采用反 向离子电渗透原理在试管中用Na+膜模拟人体皮肤 的特性，制作特殊电极，通以恒定的电流，进行葡萄 糖的提取，然后再用分光仪检测葡萄糖的浓度;同时 他们又对10位健康志愿者进行试验（8男2女，年 龄在22~35岁之间，平均年龄为26.8岁）。实验前先 对志愿者体内的葡萄糖浓度进行测定，实验结果显 示反离子电渗透原理提取的葡萄糖值与实验前测定 值的相关系数大于0.98。

有学者用反离子电渗透技术对17例肾脏功能 不全患者进行了皮下组织液乳酸水平含量的测定，提 取乳酸结果与血液乳酸含量的相关系数为0.87^[2\ Wascotte等％在试管环境下研究了基于反离子电渗 透技术的尿素和钾离子的检测，通过60~120 min的 反离子提取，尿素和钾离子的流动量与他们各自的 皮下聚集成线性相关(P<0.05),有统计学意义。Longo 等^[251在前人试管研究的基础上，进行了基于反离子 电渗透技术的苯丙酮尿患者皮下组织液的苯丙酮氨 酸活体提取，成功提取了苯丙酮氨酸，在6 h时间里， 反提取的苯丙酮氨酸含量相当于含量超过300 !xm_〇I/L 的苯丙酮氨酸溶液。Ching等^利用反离子电渗透技 术对人体血液中乳酸盐的浓度进行试验，结果显示 乳酸盐可成功地提取，提取物的量与与血液中的量 的相关系数为0.6，在人体上的最好提取时间间隔是 15 min。Wascotte等—用反向离子电渗透法抽取尿素 检测慢性肾病;Sieg等™研究了 17种氨基酸在体抽 取方法。以上几种物质的成功提取，亦可说明反离 子电渗透技术是可行的，可以应用于人体组织液里 液体的提取。

4存在的问题

由于采用电流刺激的方式提取组织液葡萄糖， 化学反应的发生伴随着H+、0H-在皮肤表面聚集，这 2种离子均能使皮肤产生红斑，严重时会使皮肤极 化;另外一个问题是提取出的组织液葡萄糖浓度很 低,对葡萄糖传感器的要求很高，化学反应需要酶的 参与，但酶的活性会随着时间的延长而降低，因此在 传感器电极的制备上存在一定的难度，电介质的选 取也是一个问题。

针对这2个问题，一些学者提出了相应的解 决方法。首先，使用人们可以接受的刺激电流为〇~ 0.8 mA/cm²,并且电流是间隔通电的，每次提取时 通电3 min,断电7 min;或者在人体皮肤阻抗大于 80 kfi的时候采用恒压抽取，抽取电流会更小。其次， 在传感器电极的制备方面，可采用锇聚合物修饰的 低浓度葡萄糖传感器,基本上可以满足低浓度葡萄 糖的测量要求。庞晓红等^[29]已对电流的刺激做过调 查，虽然长时间的测量会出现红斑或皮肤极化等现 象，但与传统的监测方法相比，如果不考虑价格因素 的话，大部分人表示愿意接受新方法进行血糖检测。

5结语

综上所述,反向离子电渗透技术作为一种新型

的无创检测血糖浓度的技术，在国际上已取得了巨 大的进展，并有通过FDA认证的产品出现。无创血 糖检测产品因具有无创、体积小、质量轻、携带方便、 可连续采样、数据量多及减少了频繁采血的痛苦等 优点，因此基于反向离子电渗透技术的无创血糖检 测方法可能作为一种新型的血糖检测方法而得到广 泛应用。

成都华西华科研究所研发生产多种糖尿病及并发症早期无创检测诊断系统

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