葡萄糖是自然界分布最广且最重要的一种单糖，也是活细胞的直接能量来源。人体中葡萄糖含量不足会导致低血糖，严重时或致记忆力衰退、诱发癫痫、影响大脑活动致使昏迷等，但可以通过改善饮食条件在短期内获得补充。而葡萄糖含量过多则会引发糖尿病及其并发症等。据国际糖尿病联盟（IDF）统计，2021年全球糖尿病人数约为5.37亿（20~79岁），其中中国就有约1.4亿。糖尿病可引起约100多种并发症，如心肌梗死、视网膜病变、糖尿病足等。据统计，近年来死于糖尿病及其并发症的人数已超过死于艾滋病、结核病和疟疾等人数的总和。而治疗糖尿病最重要的也是第一步便是监测人体血糖水平，这将极大地提高患者的生活质量，并有助于患者了解自身状况及预防并发症。
据麦姆斯咨询报道，为了实现无损检测体内葡萄糖的浓度，来自中国计量大学的研究人员开发了一种银立方体（Ag cube）基底和酶促反应相结合的表面增强拉曼光谱（SERS）方法，用于汗液中葡萄糖的快速检测。其检测时间约为7 min，检测限为0.5 mmol/L。相关研究成果以“汗液中葡萄糖的SERS快检”为题发表在《中国计量大学学报》上。
SERS由于具有高灵敏度和指纹识别的特点，已被广泛应用在生物医学、食品安全、环境监测等领域。基于SERS检测葡萄糖的方案总体来说有四种。第一，制备增强因子很高的基底，使得葡萄糖分子的振动信息可直接被极大增强，所测信号也是葡萄糖分子本身的SERS信号。第二，增加葡萄糖分子与基底结合的亲和力。这两种方案都是针对葡萄糖分子拉曼散射截面小而做出的应对方法，虽然也取得了一定的成果，但在实际应用中依然存在局限性。第三，应用基于硼酸的识别分子功能化表面，葡萄糖可逆地形成硼酸酯，并被捕获在表面上。这样，硼酸分子既可以用作葡萄糖识别结构，也可以用作拉曼活性分子。第四，基于信号分子的酶促反应，葡萄糖与葡萄糖氧化酶（GOx）反应产生的过氧化氢（H₂O₂）会刻蚀修饰有信号分子的银纳米颗粒，进而导致信号分子的SERS信号降低。因此，葡萄糖的摩尔浓度与信号分子的SERS信号呈现反比。这种方案也是目前基于SERS检测葡萄糖的主流方案，本文也基于此开发了一种Ag cube基底和酶促反应相结合的汗液中葡萄糖快检的方法。
利用SERS结合酶促反应检测葡萄糖的原理如图1所示。图中立方体代表Ag cube，其上修饰有信号分子4-巯基苯甲酸（4-MBA）。Ag cube的棱角较多，颗粒之间产生的热点多，当Ag cube与含有葡萄糖的溶液混合并有GOx加入时，葡萄糖在GOx的作用下产生葡萄糖酸和H₂O₂。H₂O₂会刻蚀Ag cube产生Ag⁺，使得棱角分明的Ag cube变得相对圆滑。甚至在产生的H₂O₂足够多的情况下，Ag cube会完全消失。这意味着Ag cube上修饰的4-MBA的SERS信号也会因为热点变少而减弱。也即当GOx足量时，葡萄糖越多，4-MBA的SERS信号越低，二者呈反比，因此可通过4-MBA的SERS信号强度间接反映葡萄糖的含量。
图1 基于SERS快速检测葡萄糖的原理示意图
在该研究中，研究人员首先验证了葡萄糖和GOx之间反应的可靠性，并优化了GOx的浓度、环境温度、体系pH以及Ag cube的体积对测试灵敏度的影响。
图2 葡萄糖和GOx是否发生反应的验证实验
图3 Ag cube被刻蚀前后的扫描电子显微镜（SEM）图
随后，研究人员利用优化后的实验条件对葡萄糖水溶液和人工汗液中的葡萄糖进行了检测。结果显示，葡萄糖水溶液的检测限（LOD）为0.1 mmol/L，检测时间为7 min；汗液中葡萄糖的LOD为0.5 mmol/L，距离汗液中葡萄糖浓度还相差不到1个数量级，但糖尿病患者往往汗液中葡萄糖浓度较高，所以此方法是初步成功的。这为无损且快速检测糖尿病患者体内的葡萄糖含量提供了一种新的方法。
图4 葡萄糖水溶液的检测限
图5 人工汗液中葡萄糖的检测限
论文信息：
DOI：10.3969/j.issn.2096-2835.2023.03.009
