基于双发射荧光复合微球材料的可视化葡萄糖传感

糖尿病是世界范围内威胁人类健康的慢性疾病之一,它可引起一系列的并发症,如高血压、肾衰竭、失明以及心脏病等。根据世界卫生组织的统计报告,全球每年大约有400万人死于糖尿病及其各类并发症,其中,中低收入国家的糖尿病死亡率远高于发达国家。目前,尤其是在中低收入国家,糖尿病患者人数依然在持续增长。因此,及早对糖尿病进行筛查诊断并对血糖进行日常监测是降低糖尿病对人类健康危害的关键。然而,调查结果显示在低收入国家往往由于资金缺乏而不具备相应的医疗条件。因此,开发简单、便携且价格低廉的葡萄糖含量检测方法,用于血糖的日常检测和监控,对于低收入国家进行糖尿病控制具有重要意义。

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陕西师范大学刘成辉教授课题组和河北大学王愈聪副教授课题组合作,开发了一种可对葡萄糖/葡萄糖氧化酶反应体系生成的H2O2产生比率型响应的双发射荧光复合微球材料,可用于血清中葡萄糖的可视化检测。该复合微球材料以包埋绿色荧光染料的二氧化硅微球为内核,通过层层自组装技术将红色CdTe量子点包覆于二氧化硅微球表面,该复合微球材料分别在绿光(~555 nm)和红光(~650 nm)波段发射出两条区分明显的荧光谱带,通过调节外层量子点的负载量,使该复合微球在紫外灯照射下呈现红色荧光。由于复合微球的内层材料对H2O2不敏感,而外层CdTe量子点的荧光会被H2O2强烈的猝灭,因此在葡萄糖氧化酶的辅助作用下,随着葡萄糖浓度的增加,溶液中H2O2含量逐渐提高,复合微球材料外层的红色荧光逐渐减弱,而内层的绿色荧光几乎保持不变,葡萄糖浓度在5~2000 μM范围内与I555 nm/I650 nm比率呈良好的线性关系。与此同时,I555 nm/I650 nm比率的变化伴随着复合微球荧光颜色的逐渐改变,在365 nm手持紫外灯照射下,复合微球的荧光颜色随葡萄糖浓度的增加逐渐由红色变为绿色,由此可实现葡萄糖含量的肉眼可视化检测。作者根据临床血糖诊断标准,以血糖含量为6.1 mM、7.8 mM,11.1 mM的血清样品进行了初步试验,发现该复合微球材料在不同的血糖临界浓度均有较明显的颜色变化,据此有望进一步设计血糖比色试纸,将该肉眼可视化检测策略用于贫穷和落后地区潜在糖尿病患者的初步筛选。

此外,除了葡萄糖/葡萄糖氧化酶反应体系,在生物体中,很多酶(胆碱氧化酶、胆固醇氧化酶、乳酸氧化酶和黄嘌呤氧化酶等)催化的酶促反应均可生成H2O2,这些反应在生命过程中都具有非常重要的作用。因此,除葡萄糖检测外,该可视化传感策略可推广应用于其他与H2O2生成相关的系列酶促反应中相关物质的检测。

相关论文发表在近期的Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.201600024)上。