世界范圍內糖尿病患者人數正在以前所未有的速度增長，而目前的血糖檢測手段主要是通過指尖采血進行比色或酶電化學檢測，均屬于非連續性檢測。微針（microneedle，MN）陣列可以無痛穿透皮膚表皮層到達真皮層，從而將藥物的滲透率提高幾個數量級，并可實現微量采樣和檢測功能。此外，雖然電化學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，但存在檢測時酶容易脫落、在較高電位下酶容易失活等問題。導電高分子聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）具有低氧化電位、良好的穩定性、高電導率、快速電子轉移的特性，在形成薄膜時可以提供較多的分子包埋位點，利于酶的固定，可作為修飾聚合物微針的材料。

據麥姆斯咨詢報道，近期，北京化工大學的研究人員于《傳感器與微系統》期刊發表題為“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，用循環伏安（CV）法和計時電流法測定傳感器的性能指標。

基于微針的葡萄糖傳感器的結構設計

基于微針的葡萄糖傳感器由內至外分為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的導電高分子層。PEDOT導電高分子層通過電沉積法制備，用該法制備PEDOT薄膜時可以很好地將GOx固定。

圖1 基于微針的葡萄糖傳感器的結構

微針陣列結構的表征

利用光學顯微鏡觀測PLA微針外形結構，如圖2所示。由圖2（a）的測量結果可知，單個微針呈圓錐形，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）為光學顯微鏡觀察下的鍍Ag微針結構，可以發現，陣列微針表面Ag層較完整、均勻。

圖2 光學顯微鏡下未鍍Ag的PLA和鍍Ag后的PLA微針結構

循環伏安特性測試

為了確定PEDOT-GOx/Ag微針對葡萄糖的最佳響應，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，進行循環伏安測試。圖3給出了PEDOT-GOx/Ag微針在葡萄糖溶液中的CV測試結果。由測試結果可知，該傳感器在0.42 V時對葡萄糖有最佳響應，其電流達到峰值2.38 mA，因此取該電位作為后續的工作電位。

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伏安測試

線性范圍與靈敏度測試

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，整個過程都有磁力攪拌器進行攪拌），使用計時電流法進行連續響應測試，響應電流隨時間變化結果圖4所示。

圖4 基于微針的葡萄糖傳感器對葡萄糖的連續響應測試

取每個濃度中曲線穩定段的平均電流值，對其進行線性擬合，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），設計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不同葡萄糖濃度的電流響應

響應時間測試

將基于微針的葡萄糖傳感器在低濃度溶液里靜止穩定一段時間后，向溶液中分兩次分別加入9 mg葡萄糖粉末，通過電化學工作站對響應電流進行持續測量，所得響應曲線如圖6所示。由曲線變化可以觀察到，當兩次向溶液中加入葡萄糖粉末時，響應電流分別由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，隨后因為轉子攪拌和物質擴散作用，葡萄糖溶液的濃度趨于穩定。響應時間定義為加入葡萄糖粉末時的極限電流與未加粉末之時的電流的時間間隔。測試結果顯示，該研究設計的基于微針的葡萄糖傳感器的平均響應時間僅為9 s。

圖6 基于微針的葡萄糖傳感器的響應時間測試

抗干擾性測試

在存在外源性干擾物質（如抗壞血酸（AA）、尿酸（UA））的情況下，用標準葡萄糖溶液評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信號。將所有干擾物質溶解于PBS中，制備成5 mmol/L的樣品（pH為7.4），并進行峰值試驗。在施加正0.42 V的電位時，葡萄糖和干擾樣品的電流響應變化如圖7所示。由圖中可知，當向溶液體系中分別滴加5 mmol/L AA和5 mmol/L UA干擾樣品時，無明顯電流波動；而當增大葡萄糖濃度時，電流迅速上升。這說明設計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簡便，適合批量生產；且該傳感器具有較優的性能，其線性范圍為0 mmol/L ~ 35 mmol/L，靈敏度為0.21 mA/（mmol/L），響應時間為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、便攜化設備當中，為微針無創檢測人體生理指標的實際應用提供了一定技術基礎。

編輯：黃飛