基于金属纳米材料的可穿戴无创葡萄糖传感器研究进展

可穿戴无创葡萄糖传感器的发展，为糖尿病患者体内葡萄糖浓度监测提供了一种便捷且免于不适感和感染风险的技术手段。除了典型的酶之外，葡萄糖传感器的活性催化材料主要由聚合物、金属、合金、金属化合物等能与葡萄糖发生催化氧化作用的物质组成。其中，金属纳米材料具有生物相容性好、比表面积大、催化活性高、吸附能力强等优点，是应用于可穿戴无创葡萄糖传感领域的最佳材料。

据麦姆斯咨询报道，近期，浙江大学以及宁波诺丁汉大学的研究人员在Materials Today Bio期刊上共同发表了题为“Wearable non-invasive glucose sensors based on metallic nanomaterials”的综述文章，总结了用于可穿戴无创葡萄糖传感器的金属纳米材料（包括零维（0D）、一维（1D）、二维（2D）单金属纳米材料、双金属纳米材料、金属氧化物纳米材料等），以及基于这些金属纳米材料的可穿戴无创生物传感器在葡萄糖检测中的应用，并展望了基于金属纳米材料的可穿戴无创生物传感器的发展趋势。

具体而言，单金属纳米材料具有电阻低、催化性能优异、检测灵敏度高等优点。此外，优异的生物相容性和强导电性使其具有出色的电催化能力，这是可穿戴无创葡萄糖传感器基础材料的突出特性。

其中，贵金属纳米颗粒具有较高的比表面积和活性，目前已成为应用于可穿戴无创葡萄糖传感器的最常见的纳米材料。尤其是金纳米颗粒（AuNPs），在研究实践中获得了广泛的应用。例如，Wang等人提出了一种基于金纳米颗粒的表皮传感器来检测汗液中的葡萄糖水平。通过将葡萄糖传感器附着在颈部采集汗液，可实现低检测限（LOD）（1.68 × 10⁻⁷ M），宽检测范围（10⁻⁷ M ~ 10⁻³ M）（图1（i））。

此外，由于该传感器采用三维周期性多孔腔内颗粒结构和特定材料，因此传感器具有良好的稳定性、灵敏度和优异的力学性能。在类似的一项研究中，研究人员将金纳米颗粒嵌入到聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）衬底中，以制造可穿戴无创贴片，并通过紫外介导化学镀技术构建金纳米颗粒PET工作电极（图1（ii））。基于该电极的葡萄糖传感器具有超低检测限（2.7 μM）、宽传感范围（0.02 mM ~ 1.11 mM）、高灵敏度（22.05 μA/mM/cm²）等特点。

图1 零维（0D）单金属纳米材料在可穿戴无创葡萄糖传感器中的应用

除纳米颗粒外，一维贵金属纳米材料如纳米管、纳米线、纳米带、纳米针等在可穿戴无创葡萄糖传感器中也发挥着重要作用。在一维金属纳米材料中，由于具有优异的催化和导电性能，一维金和银是最理想的纳米材料。例如，Zhai等人在研究中制作了一种基于金纳米线的可穿戴柔性生物传感器。首先，可拉伸电极由修饰有蘑菇状金纳米颗粒的金纳米线构成。随后，用葡萄糖氧化酶和普鲁士蓝纳米颗粒修饰电极，以实现葡萄糖浓度水平的传感。独特的高度可拉伸结构和优异的材料使该生物传感器具有低检测限（10 μM）和高灵敏度（23.72 μA/mM/cm²）的特点。同时，即使在30%的应变条件下，该传感器对人工汗液中葡萄糖浓度的检测灵敏度也可以达到4.55 μA/mM/cm²（图2（i））。

图2 一维（1D）单金属纳米材料在可穿戴无创葡萄糖传感器中的应用

除了汗液，泪液也是一类容易收集的生物体液。因此，具有泪液采集和葡萄糖监测功能的智能隐形眼镜近年来成为广泛流行的可穿戴即时诊断（POCT）葡萄糖检测装置。Kim等人制作了一种可穿戴智能隐形眼镜，用于无线监测葡萄糖浓度和血压。与之前使用传统不透明材料制作的隐形眼镜传感器相比，该传感器是基于石墨烯-银纳米线（AgNW）混合结构的无创传感器（图2（v））。这种独特结构的应用以牺牲透明度为代价提高了传感器的电学和机械性能。此外，这种混合结构的跨电导率可以忽略不计，这使得它可以用作构建无源电子元件的电极。总而言之，该传感器可以用于监测与疾病相关的生物标志物，从而评估人体眼部和整体健康状况。因此，这种多路复用的隐形眼镜为下一代眼部诊断装置的发展带来了巨大的希望。

二维纳米材料具有较大的比表面积，常被用作金属纳米颗粒的载体。例如，Oh等人制作了一种基于金纳米片的可附着于皮肤的柔性无创葡萄糖传感器，用于检测汗液中的葡萄糖。首先，研究人员在聚二甲基硅氧烷（PDMS）衬底上制备了可拉伸金电极。接着，研究人员采用一种逐层沉积的方法，将碳纳米管（CNT）沉积在可拉伸衬底上利用过滤法制备的图案化金纳米片上。随后，将钨酸钴（CoWO₄）/碳纳米管和聚苯胺/碳纳米管纳米复合材料涂覆在碳纳米管/金纳米片电极上，以此提高传感性能。同时，用氯化法制备了参比电极。最后，将可拉伸传感器用粘性硅胶封装，形成可附着于皮肤的汗液传感器（图3（i））。研究结果显示，该传感器具有很高的性能，灵敏度达10.89 μA/mM/cm²，并且具有出色的机械稳定性和空气稳定性。此外，Khoshroo等人制作了一种基于银纳米片的可穿戴柔性生物传感器，用于检测葡萄糖（图3（ii））。由于银纳米片具有较大的电活性表面积，该传感器具有良好的电催化性能，线性范围为3 μM ~ 3.3 mM，灵敏度为4610 μA/mM/cm²，检测限低至1.1 μM（S/N = 3）。

图3 二维（2D）单金属纳米材料在可穿戴无创葡萄糖传感器中的应用

与单金属纳米颗粒相比，双金属纳米颗粒具有结构易于调整和传感性能更好的优点。在纳米尺度上，调整双金属催化材料的合成具有重要意义。通过改变双金属材料的尺寸、组成和微观结构，研究人员可以探索不同参数下双金属催化材料的性能。此外，在双金属纳米材料的制备过程中，用低价金属纳米颗粒取代贵金属纳米颗粒，在保证高催化活性的同时可以有效节约贵金属资源，降低制备成本。

图4 双金属纳米材料在可穿戴无创葡萄糖传感器中的应用

除了单金属和双金属外，以某些金属氧化物为代表的过渡金属化合物纳米材料也被广泛用于构建非酶葡萄糖传感器。铜及其化合物在葡萄糖检测中具有较宽的线性范围，是制造葡萄糖传感器的理想材料。此外，氧化锌是在非酶葡萄糖传感器中应用最广泛的金属氧化物之一。当一种金属与其他金属或纳米材料复合时，复合氧化物纳米材料表现出粒度小、活性位点分布均匀、比表面积大、稳定性好等更优越的性能。因此，复合氧化物纳米材料是应用于可穿戴葡萄糖传感器的热门材料。

综上所述，在未来，相信与有创葡萄糖检测方法相比，无创葡萄糖检测方法因其带来的不适感和被感染的风险更小，将成为葡萄糖检测方法的主流。此外，在用于可穿戴无创葡萄糖传感器检测的生物体液中，汗液是最有前途的。这是因为皮肤是人体最大的有机体，因此汗液的收集是所有生物体液中最容易的，并且可以方便地将各种可穿戴的汗液收集设备佩戴在身上。但糖尿病患者多为老年人，代谢率低，汗液分泌量少。因此，基于金属纳米材料的可穿戴无创葡萄糖传感器对唾液中的葡萄糖水平进行连续监测也是一个有吸引力的研究领域。

此外，更灵敏、高效的电极材料将被开发并应用于可穿戴无创葡萄糖传感器。将不同的金属纳米材料结合在一起，形成具有特定纳米结构的双金属或多金属纳米材料，这些纳米材料具有更低的成本和更高的葡萄糖传感性能。此外，可以开发具有高柔韧性、可变形性和导电性的衬底材料来负载金属纳米材料并形成特定的纳米结构，从而显著提高金属纳米材料的传感性能。同时，葡萄糖传感器可以向小型化方向发展，并与云技术相结合，实时向临床机构传输患者的葡萄糖检测信息。因此，基于金属纳米材料的可穿戴无创葡萄糖传感器可以帮助患者及时获得治疗建议，以帮助糖尿病患者进行无痛糖尿病管理。此外，结合微流控技术，采用基于金属纳米材料的可穿戴无创葡萄糖传感器，可以实现对糖尿病患者葡萄糖水平的连续实时监测。除了监测血糖水平外，可穿戴无创生物传感器还可以通过使用其他电极活性材料来检测其他生命体征。相信在不久的将来，科研人员将逐步丰富无创、可穿戴个性化传感器的种类，用于监测更多的生物标志物，并服务于医务人员和科研人员，以实现对疾病的治疗和研究。





审核编辑：刘清