图1 基于扩展栅有机场效应晶体管（OFET）的酶传感器能够在微摩尔（μM）水平上对汗液葡萄糖进行高灵敏度和选择性检测。高效液相色谱（HPLC）分析验证的准确性表明，基于OFET的传感器具有进行可靠汗液分析的潜力。
葡萄糖作为一种重要的生物标志物，在人体中发挥着关键作用。通过反映葡萄糖水平的化学信息，可以了解人体的健康状况。目前，市面上的传感器通常采用侵入性方法检测毫摩尔（mM）水平的血糖浓度。然而，这些侵入性方法通常会给患者带来痛苦，并给日常葡萄糖水平监测带来挑战。汗液、尿液、渗出液和唾液等生物样本可以通过非侵入性方法进行无痛采集，因此可以用于人体葡萄糖浓度的无创监测。其中，汗液中仅含有微摩尔水平的葡萄糖，这就要求研发人员能够开发出在微摩尔水平上进行灵敏检测的葡萄糖传感器，以实现具有实用价值的汗液分析。
据麦姆斯咨询报道，为实现上述目标，来自东京大学（The University of Tokyo）的研究人员设计了一种基于OFET的酶传感器来量化人体汗液中的葡萄糖水平。由于其隔离配置，OFET器件的扩展栅结构能够保证其在汗液分析时的稳定性。此外，利用OFET的放大能力，酶传感器在进行葡萄糖检测时表现出高灵敏度，以及适合汗液分析要求的低检测限（2.9 μM）。同时，该传感器具有良好的检测特异性，在检测过程中可以不受汗液中常见干扰物的影响，表明其用于汗液分析的实际可行性，有望助力无创血糖监测技术发展。相关研究成果以“Detection of Micromolar Glucose Levels in Human Sweat Using an Organic Transistor-Based Enzymatic Sensor”为题发表在Chemistry Europe期刊上。
图2 用于葡萄糖检测的扩展栅OFET图示
基于OFET的生物传感器的葡萄糖检测性能评估
研究人员首先对基于OFET的葡萄糖酶传感器的检测限（LOD）进行了测量。实验结果显示，在缓冲溶液（D-PBS）中加入微摩尔水平的葡萄糖后，传感器的转移曲线发生了变化，并且阈值电压（VTH-VTH0）的变化与缓冲溶液中加入的葡萄糖量相关。使用3σ方法估算出的LOD为2.9 μM，这满足了检测汗液中葡萄糖水平的要求。值得注意的是，基于OFET的生物传感器成功检测到了微摩尔水平的葡萄糖浓度，与那些设计用于毫摩尔水平葡萄糖检测的OFET传感器相比具有更高的灵敏度。
图3 （a）在D-PBS中加入葡萄糖（0~100 μM）后，基于OFET的生物传感器的转移曲线的变化；（b）葡萄糖水平与阈值电压（VTH）之间的相关性。
随后，研究人员使用人体汗液中常见的干扰物质（包括铵离子、尿素、乳酸和钙离子）对基于OFET的生物传感器的选择性进行了评估。选择性评估是在含有汗液中典型存在的离子（如钠、钾、磷酸盐和氯离子）的D-PBS缓冲溶液中进行的。评估结果表明，尽管这些干扰物质的浓度处于毫摩尔水平，远高于汗液中葡萄糖的浓度，但基于OFET的生物传感器仍然能够有效地将葡萄糖与其他干扰物质区分开来。为了验证基于OFET的生物传感器用于汗液分析的可行性，研究人员对包含所有上述干扰物质的混合样品中的葡萄糖进行了检测。通过t检验对混合样品与D-PBS之间葡萄糖响应的差异进行了统计评估。结果表明，两者之间几乎没有显著差异（即p> 0.05），这表明即使在复杂的混合溶液中，酶传感器依然具有高度的选择性。
图4 针对葡萄糖（50 μM）、铵离子（4 mM）、尿素（25 mM）、乳酸（30 mM）、钙离子（10 mM）和混合样品的选择性测试结果。
检测人体汗液中的葡萄糖水平
接着，研究人员通过直接量化人体样品中的葡萄糖水平（无需预处理）来评估基于OFET的生物传感器的适用性。研究人员利用HPLC对基于OFET的传感结果的准确性进行了验证。首先，在滴定过程中，该研究建立了葡萄糖水平与阈值电压变化（VTH-VTH0）之间的相关线，用作加标回收试验的校准数据集（以黑色方块图表示）。在实际的人体样品检测中，基于OFET的葡萄糖酶传感器对加标葡萄糖浓度的响应（以绿色圆圈显示）与已建立的相关线保持良好的一致性，展现出较高的检测准确性（回收率在95-105%的范围）。
图5 未经任何预处理的人体汗液样品中葡萄糖的加标回收试验
综上所述，研究人员开发了一种基于OFET的酶传感器，用于人类汗液样品中葡萄糖的灵敏检测。OFET固有的放大特性有助于提高其在化学传感中的灵敏度。本研究采用酶促反应作为选择性检测原理，因为其特异性满足了汗液中选择性葡萄糖检测的要求。此外，研究人员利用介质连接的自组装单层（SAM）对OFET器件进行修饰，以通过葡萄糖氧化还原反应实现高效的电子传递。基于OFET的葡萄糖酶传感器的检测限（LOD）为2.9 μM，这满足了实际应用中汗液葡萄糖水平的传感要求。
此外，与各种干扰物相比，该传感器对葡萄糖表现出最高的响应，证明了使用基于OFET的生物传感器选择性检测汗液样品中葡萄糖的可行性。此外，基于OFET的生物传感器无需预处理即可成功应用于汗液分析。并且，汗液葡萄糖的回收率（95-105%）表明基于酶的OFET传感器的准确性和可靠性。因此，可以预见，这种方法有助于准确检测汗液中的葡萄糖，有望为无创血糖监测的发展做出重要贡献。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/celc.202400292
