高灵敏度基于铂纳米颗粒修饰栅极的有机电化学晶体管应用于生物代谢物检测

糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢性疾病,目前已经成为威胁人类健康的最重要的慢性病之一。根据国际糖尿病联合会的统计,截止2013年,全球糖尿病患者已达3.82亿人,并有3.16亿糖尿病高危人群。与此同时,糖尿病的发病越来越趋向于低龄化并且重心开始转向发展中国家。传统的依赖于血糖仪和血糖试纸的糖尿病检测方式属于侵入性检测,不仅会给患者带来疼痛而且会有感染的风险,因此,开发一种便宜的,便于日常使用的非侵入性血糖检测设备具有重要的意义。

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香港大学陈国梁(Paddy K. L. Chan)教授课题组开发了一种具有高敏感度的便携式葡萄糖生物传感器,可用于糖尿病患者的唾液葡萄糖检测。该葡萄糖传感器基于栅极经过葡萄糖氧化酶和聚乙烯吡咯烷酮包裹的铂纳米颗粒修饰的有机电化学晶体管,感测机制依赖于发生在葡萄糖和葡萄糖氧化酶之间的酶促反应,酶促反应中产生的过氧化氢会在栅极被氧化进而减小栅极/电解液双电层的电压降并同时增大电解液/PEDOT:PSS通道的电压降。这个过程导致电解液中更多的阳离子渗透到PEDOT:PSS通道并降低了其导电性和漏源电流,通过漏源电流的变化可以得知葡萄糖溶液的浓度。铂纳米颗粒通过不需要使用额外电压的两步浸涂法沉积于栅极表面,之后进行紫外臭氧后处理,大大提高了铂纳米颗粒催化过氧化氢氧化的能力,由此得到了极高的葡萄糖检测灵敏度,可以达到10-7 M。聚二甲基硅氧烷微流体通道被成功的集成在该生物传感器上,大大减少了检测物的用量至30微升并同时缩短了检测的时间至1分钟。除此之外,一整套数据采集系统包括自开发的手机软件可以将该生物传感器应用于可以日常使用的便携式健康监测设备。在实际应用中,该生物传感器可以用于唾液中葡萄糖的监测,作者在临床测试中使用该传感器对糖尿病患者和非糖尿病患者的唾液进行测试,成功得出了糖尿病患者的唾液葡萄糖含量要明显高于非糖尿病患者。由此可见该传感器在实时和非侵入性的血糖检测方面有着极大的应用潜力。

除此之外,乳酸盐/乳酸盐氧化酶也被成功的用在了该传感器上,基于相同的原理,乳酸盐传感器的检测极限可以达到10-6 M。因此,该传感器同样有很大的潜力检测体液中的乳酸浓度,进而合理的评估运动员的运动强度。相关论文发表在 Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.201600042)上。