血糖检测技术的研究进展

林凌云,张宇

(东南大学 生物科学与医学工程学院/生物电子学国家重点实验室/江苏省生物材料与器件重点实验室，江苏 南京 210096)

糖尿病属于一种严重的慢性疾病，其产生原因是由于胰腺产生不了足够的胰岛素(一种调节血糖的激素)或者人体无法有效地利用胰岛素。糖尿病属于四大非传染性疾病之一，然而在过去几十年中，糖尿病的病例数和患病率并没有得到有效的控制，反而呈现稳步上升的趋势[1]。

世界卫生组织2016年发布的媒体通报称糖尿病目前已经与肿瘤、心血管疾病同属于影响人类健康的三大慢性疾病[2]。糖尿病同时会引起各种慢性并发症，如眼病、肾病、足病等，形成全球性的健康问题[3]。在中国，每年由糖尿病直接或者间接导致的死亡人数高达100万，其中过早死亡的人数约40万。世界卫生组织进一步指出中国目前最严重的疾病就是包含糖尿病在内的非传染性疾病，目前中国有1.1亿人在饱受糖尿病的困扰。然而目前糖尿病在临床上并没有十分有效的诊治手段，糖尿病患者在患病初期没有明显的患病特征，因此准确检测血糖浓度是目前判断、控制糖尿病最重要的依据。

血糖检测的重要性已经引起了市场的密切关注。《中国电子血糖仪行业市场分析与发展趋势研究报告》的数据表明，到2020年血糖检测的市场将会得到大量的资金投入，规模预计将会达到180亿人民币。目前存在众多不同类型的血糖检测仪(图1)。近年来，随着科学技术的突破发展，无创检测技术逐渐成为血糖检测技术未来发展的方向。现就有创、微创、无创3个方面对血糖检测技术的研究现状进行综述。

图1血糖检测仪分类图[4]

1 有创检测

1.1 电化学法

电化学检测血糖的原理是血液中的葡萄糖分子会与固化在血糖试纸条上的生物酶发生氧化还原反应。其检测方法如图2所示，在试条的电极上施加稳定的电压，氧化还原反应产生的电荷会定向流动形成电流。通过运算放大器将该电流信号转化为可供A/D读取的电压信号。反应产生的电流会随着时间增加而趋于稳定。大量的研究表明，排除温度的干扰后稳定后的电流值与人体血糖浓度之间存在极强的线性关系。目前市场上的家用血糖仪大多都使用该方法进行测量[6]。

图2电化学血糖仪原理

电化学检测法具有便携、准确度较高等优点，但是频繁的采血给患者带来了心理上的恐惧，而且采血后的伤口若没有得到有效的处理，容易引起感染。

1.2 光化学法

光化学法目前广泛用于临床上。其测量方法是在清晨的时候，提取患者空腹状态的全血，并通过生化分析仪进行检测，生化分析仪通常采用光电比色原理对血液中的葡萄糖浓度进行测量。

光化学检测法是目前最为精确的方法，也是临床诊断最重要的依据[7]。但是该方法同时存在众多问题，包括测量条件严格、等待时间过长、需要的血液量多等，这些问题导致其无法在家庭中得到广泛的推广。

2 微创检测

微创检测技术以人体体液(尤其是组织液)代替血液进行研究。获取体液的方法需要穿透皮肤，目前主要有透过皮肤植入型检测技术和组织液透皮抽取型检测技术两种。透过皮肤植入型的方法是通过在人体皮肤表层内植入微型传感器，根据传感器测得的组织液葡萄糖浓度换算成血糖浓度，该方法在检测血糖浓度后通常会根据人体血糖浓度采取相应的措施对血糖浓度进行控制。组织液透皮抽取型的检测方法是通过用不同的手段对皮肤表层进行腐蚀，然后用加负压抽取的方法提取组织液中的葡萄糖浓度，最后通过相关关系获得人体血糖浓度[8]。

Ye等[9]提出一款无痛微针贴片。该贴片不仅能够实现实时监测葡萄糖浓度，还能够在葡萄糖浓度过高时通过葡萄糖与封装在海藻酸盐微凝胶中的β细胞相互作用，促进胰岛素分泌。该成果引起了巨大的轰动，但是该实验结果同时存在监测值无法直接获取、胰岛素分泌量过少等缺点。

微创检测的测量效果较理想并且对患者不会造成直接伤害，但是该方法对材料的要求较高，成本问题不容忽视，并且该方法对血糖值的直接获取较为困难。

3 无创检测

3.1 光声谱检测法

根据光声效应，当强度可调制的光束照射于可吸收物质时，周期性热流使周围的介质由于热胀冷缩而激发出声波，这个过程完成了光能与声能之间的转换。用光声谱法进行测量血糖时，需要在组织表面放置超声信号检测传感器，用近红外激光脉冲刺激组织使组织内部的血糖分子快速地热膨胀并产生超声压力波。声信号与葡萄糖浓度的标准变化曲线是以葡萄糖标准溶液为样品、用调制激光作为信号激发源进行试验所得到的[12]。

Zhao等[13]根据光声效应，以激光二极管与超声检测器搭建了一套系统设备，并且成功进行了离体实验和在体实验。Kottmann等[14]利用中红外光声技术对明胶水溶液和人体表皮进行了检测，实验结果表明该方法能较为准确地进行血糖浓度检测。

3.2 拉曼光谱检测法

拉曼散射指的是光穿过透明介质时，光的频率会由于分子散射而导致发生改变。由于散射光受到葡萄糖分子振动的影响，因此葡萄糖的浓度与光的频率的变化存在对应关系。该方法通常以眼前房为测量部位，以波长可调的激光束入射眼睛，通过分析采集到的拉曼谱线与入射光线之间的频移来计算相应的血糖值[17]。

Enejder等[18]通过采集461个个体的拉曼光谱与对应的血糖值，使用最小二乘法进行校准，结果显示每个对象平均绝对误差在9.6%以内。Zheng等[19]使用785 nm激光进行入射，对10个测试者采集了至少3组以上的拉曼光谱，信号处理方法采用基于优势因子的多元PLS模型，所有测试者的平均R2值为0.844。这个结果表明，这种基于拉曼光谱检测的微型可穿戴系统对血糖检测是有效的。

拉曼光谱法的优点在于水的拉曼散射很弱因而水溶液生物样品很适合进行拉曼光谱分析，并且得到的拉曼光谱谱峰清晰、尖锐，易于分析。缺点在于检测到的信号微弱、信号处理难，并且由于眼睛这一测量部位的约束而无法随意增加光强。

3.3 偏振光旋光检测法

线性偏振光穿过葡萄糖溶液后得到的透射光也是线性偏振光，且透射光与入射光之间偏振方向的角度差与葡萄糖含量存在对应关系。该检测方法对检测介质和光程有较高的要求，通常选取眼睛前房水作为检测部位[20]。

王洪[21]使用正交双偏振光做为入射光对葡萄糖溶液进行试验，实验结果表明在葡萄糖质量浓度为40 mg·dl-1时，测量值与葡萄糖浓度之间的相关系数高达0.9777。Yadav等[22]使用波长为940 nm的LED作为光源，分别在耳垂、手臂和指尖3个测量部位进行了实验。实验显示预测得到的葡萄糖浓度和实际葡萄糖浓度之间存在极强的相关性。

利用此方法制备的仪器光路简单、操作容易；但是偏振光旋光法测量得到的血糖值并不是实时血糖值，同时还存在测量难度大、精度低和稳定性低等缺点。

3.4 反离子电渗法

基于反离子电渗抽取法的原理是根据Na+离子是葡萄糖分子在电场作用下进行定向移动的载体。在人体皮肤表层形成一个稳定的电场，葡萄糖分子等将会聚集在皮肤表层。迁移的葡萄糖分子的量会随着皮下组织液中葡萄糖分子的浓度而有所不同，从而可以间接测得血糖浓度[23]。

Cygnus公司的GlucoWatch®Biographe就是一款基于反离子电渗法的腕戴式手表，可以连续监测长达12 h的血糖浓度，但无法准确测量偏高和偏低的血糖。Sun等[24]研发了一种基于多壁碳纳米管的葡萄糖生物传感器，该传感器的高灵敏度可以解决上述存在的问题。

反离子电渗法的优点在于设计出的仪器方便携带并且能够实现无创、无痛地连续测定血糖。缺点在于对人体的生理状况有很高要求，并且目前的产品得到的测量值与实际血糖值相关系数偏低。

3.5 代谢热整合法

葡萄糖分子在人体内会与氧气发生有氧反应，反应产生的热量将会影响人体的一些生理参数。Cho等[25]认为该反应产生的热量将会主要以热能的形式排出体外，而与热量相关的两个最重要的生理指标是血氧与血糖。通过建立血氧含量、血糖浓度以及热量之间的关系便可以得到血糖浓度。

王弟亚等[26]对能量代谢守恒法进行了改进，加入了蒸发散热、动脉血管脉率对产生的热量的影响，从而建立了对流、脉率等与血糖浓度之间的关系，通过自适应算法与多元线性回归算法结合的方法进行数据分析，实验结果表明使用该血糖仪所测得结果与医用的大型生化分析仪得到的测量结果之间的相关系数高达0.862。Zhang等[27]开发了一款基于MSP430的血糖检测仪器，该仪器整合了多种生理信号采集模块，对180个受测者进行了无创连续血糖监测，提出了一种结合了反向神经传输网络和决策树的算法。实验结果表明该系统的准确度达到了88.53%。

代谢热整合法的优势在于测量精度高、稳定性好、重复性好等；但是由于需要同时测量使用温度、湿度、血氧等多参数指标，整个系统较为繁琐，并且传感器的集成难度大，对多参数的分析也较难。

3.6 相关光谱检测法

相关光谱检测是一种放射免疫学方法，其原理是近红外光通过血液时由于血液中存在的各种物质有不同的透射率和反射率，将会产生不同的峰。该方法是以近红外线(1 100～2 500 nm)照射受检者手腕，由于血液中葡萄糖分子的振动引起能量迁移，从而导致光谱之间的差异性，是一种直接检测血糖的方法[28]。

胡永翔等[29]认为，近红外光谱的吸收峰强度弱且不同的物质存在相近的吸收峰。因此，通过一维光谱信号来检测葡萄糖浓度是不合理也是不可行的。他们提出在测量过程中引入动态光谱，将不同的一维动态光谱通过相关计算算法来获取二维相关光谱。他们首先对离体样本进行了检测，验证了该方法的可行性，之后通过对人体手指的ATR光谱进行的分析进一步验证了该方法。

该方法的优点在于获得的信号强度大、商业开发成本低；缺点在于与血糖无关的身体参数带来的干扰大、系统的灵敏度与稳定度均不高。

3.7 无创检测法小结

无创血糖检测方法是近年研究的热点，除了上述的这些方法之外，目前也有其他的一些检测方法。Lee等[30]研制了一种基于石墨烯的汗液检测装置，该装置集监测与治疗于一体。该方法的创新性在于在石墨烯中掺杂金颗粒，提高了石墨烯的电化学活性，并形成了可穿戴的贴片。该贴片包含了加热器、温度传感器、湿度传感器、血糖传感器以及pH传感器，能够通过汗液实时监测血糖并智能注射胰岛素。对患有糖尿病的小白鼠进行了实验测试，结果表明该装置能够实现一个闭环系统，为治疗糖尿病提供了新的方向。Xue等[31]基于GOx@ZnO(GOx：葡萄糖氧化酶)纳米线阵列的表面酶促反应与压电效应的耦合，实现了一种自动检测体液葡萄糖水平的电子皮肤。电子皮肤由于压电效应产生的电压脉冲能够提供驱动装置的电力。研究小组以小白兔进行实验测试，验证了该方法的可行性。

4 总 结

血糖浓度的准确监测不仅能够为临床诊治提供可靠的参考依据，还能够在预防糖尿病方面发挥举足轻重的作用。随着人们防范糖尿病意识的提升，血糖监测和管理系统也迎来了新的发展机遇和挑战，上述3种检测方式目前各有优缺点。有创检测方法仍然是目前市场上最为重要、可靠的一种测量方法；微创检测介于有创检测与无创检测之间，但是同时也有众多的局限性；随着技术的不断进步和发展，无创血糖检测技术有了极大的进展。尽管目前在无创血糖检测领域，由于存在测量精度、成本等问题，工业上的大部分产品都没有通过美国FDA检测；但是无创血糖检测技术由于其具有方便、可连续测量等优点，随着更多学者的投入与研究的深入，其必将在糖尿病的诊断和治疗方面发挥巨大的作用。