血糖檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展

林凌云,張宇

(東南大學(xué) 生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院/生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省生物材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

糖尿病屬于一種嚴(yán)重的慢性疾病，其產(chǎn)生原因是由于胰腺產(chǎn)生不了足夠的胰島素(一種調(diào)節(jié)血糖的激素)或者人體無(wú)法有效地利用胰島素。糖尿病屬于四大非傳染性疾病之一，然而在過(guò)去幾十年中，糖尿病的病例數(shù)和患病率并沒有得到有效的控制，反而呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的趨勢(shì)[1]。

世界衛(wèi)生組織2016年發(fā)布的媒體通報(bào)稱糖尿病目前已經(jīng)與腫瘤、心血管疾病同屬于影響人類健康的三大慢性疾病[2]。糖尿病同時(shí)會(huì)引起各種慢性并發(fā)癥，如眼病、腎病、足病等，形成全球性的健康問(wèn)題[3]。在中國(guó)，每年由糖尿病直接或者間接導(dǎo)致的死亡人數(shù)高達(dá)100萬(wàn)，其中過(guò)早死亡的人數(shù)約40萬(wàn)。世界衛(wèi)生組織進(jìn)一步指出中國(guó)目前最嚴(yán)重的疾病就是包含糖尿病在內(nèi)的非傳染性疾病，目前中國(guó)有1.1億人在飽受糖尿病的困擾。然而目前糖尿病在臨床上并沒有十分有效的診治手段，糖尿病患者在患病初期沒有明顯的患病特征，因此準(zhǔn)確檢測(cè)血糖濃度是目前判斷、控制糖尿病最重要的依據(jù)。

血糖檢測(cè)的重要性已經(jīng)引起了市場(chǎng)的密切關(guān)注。《中國(guó)電子血糖儀行業(yè)市場(chǎng)分析與發(fā)展趨勢(shì)研究報(bào)告》的數(shù)據(jù)表明，到2020年血糖檢測(cè)的市場(chǎng)將會(huì)得到大量的資金投入，規(guī)模預(yù)計(jì)將會(huì)達(dá)到180億人民幣。目前存在眾多不同類型的血糖檢測(cè)儀(圖1)。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的突破發(fā)展，無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)逐漸成為血糖檢測(cè)技術(shù)未來(lái)發(fā)展的方向?，F(xiàn)就有創(chuàng)、微創(chuàng)、無(wú)創(chuàng)3個(gè)方面對(duì)血糖檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

圖1血糖檢測(cè)儀分類圖[4]

1 有創(chuàng)檢測(cè)

1.1 電化學(xué)法

電化學(xué)檢測(cè)血糖的原理是血液中的葡萄糖分子會(huì)與固化在血糖試紙條上的生物酶發(fā)生氧化還原反應(yīng)。其檢測(cè)方法如圖2所示，在試條的電極上施加穩(wěn)定的電壓，氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電荷會(huì)定向流動(dòng)形成電流。通過(guò)運(yùn)算放大器將該電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為可供A/D讀取的電壓信號(hào)。反應(yīng)產(chǎn)生的電流會(huì)隨著時(shí)間增加而趨于穩(wěn)定。大量的研究表明，排除溫度的干擾后穩(wěn)定后的電流值與人體血糖濃度之間存在極強(qiáng)的線性關(guān)系。目前市場(chǎng)上的家用血糖儀大多都使用該方法進(jìn)行測(cè)量[6]。

圖2電化學(xué)血糖儀原理

電化學(xué)檢測(cè)法具有便攜、準(zhǔn)確度較高等優(yōu)點(diǎn)，但是頻繁的采血給患者帶來(lái)了心理上的恐懼，而且采血后的傷口若沒有得到有效的處理，容易引起感染。

1.2 光化學(xué)法

光化學(xué)法目前廣泛用于臨床上。其測(cè)量方法是在清晨的時(shí)候，提取患者空腹?fàn)顟B(tài)的全血，并通過(guò)生化分析儀進(jìn)行檢測(cè)，生化分析儀通常采用光電比色原理對(duì)血液中的葡萄糖濃度進(jìn)行測(cè)量。

光化學(xué)檢測(cè)法是目前最為精確的方法，也是臨床診斷最重要的依據(jù)[7]。但是該方法同時(shí)存在眾多問(wèn)題，包括測(cè)量條件嚴(yán)格、等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、需要的血液量多等，這些問(wèn)題導(dǎo)致其無(wú)法在家庭中得到廣泛的推廣。

2 微創(chuàng)檢測(cè)

微創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)以人體體液(尤其是組織液)代替血液進(jìn)行研究。獲取體液的方法需要穿透皮膚，目前主要有透過(guò)皮膚植入型檢測(cè)技術(shù)和組織液透皮抽取型檢測(cè)技術(shù)兩種。透過(guò)皮膚植入型的方法是通過(guò)在人體皮膚表層內(nèi)植入微型傳感器，根據(jù)傳感器測(cè)得的組織液葡萄糖濃度換算成血糖濃度，該方法在檢測(cè)血糖濃度后通常會(huì)根據(jù)人體血糖濃度采取相應(yīng)的措施對(duì)血糖濃度進(jìn)行控制。組織液透皮抽取型的檢測(cè)方法是通過(guò)用不同的手段對(duì)皮膚表層進(jìn)行腐蝕，然后用加負(fù)壓抽取的方法提取組織液中的葡萄糖濃度，最后通過(guò)相關(guān)關(guān)系獲得人體血糖濃度[8]。

Ye等[9]提出一款無(wú)痛微針貼片。該貼片不僅能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葡萄糖濃度，還能夠在葡萄糖濃度過(guò)高時(shí)通過(guò)葡萄糖與封裝在海藻酸鹽微凝膠中的β細(xì)胞相互作用，促進(jìn)胰島素分泌。該成果引起了巨大的轟動(dòng)，但是該實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)存在監(jiān)測(cè)值無(wú)法直接獲取、胰島素分泌量過(guò)少等缺點(diǎn)。

微創(chuàng)檢測(cè)的測(cè)量效果較理想并且對(duì)患者不會(huì)造成直接傷害，但是該方法對(duì)材料的要求較高，成本問(wèn)題不容忽視，并且該方法對(duì)血糖值的直接獲取較為困難。

3 無(wú)創(chuàng)檢測(cè)

3.1 光聲譜檢測(cè)法

根據(jù)光聲效應(yīng)，當(dāng)強(qiáng)度可調(diào)制的光束照射于可吸收物質(zhì)時(shí)，周期性熱流使周圍的介質(zhì)由于熱脹冷縮而激發(fā)出聲波，這個(gè)過(guò)程完成了光能與聲能之間的轉(zhuǎn)換。用光聲譜法進(jìn)行測(cè)量血糖時(shí)，需要在組織表面放置超聲信號(hào)檢測(cè)傳感器，用近紅外激光脈沖刺激組織使組織內(nèi)部的血糖分子快速地?zé)崤蛎洸a(chǎn)生超聲壓力波。聲信號(hào)與葡萄糖濃度的標(biāo)準(zhǔn)變化曲線是以葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液為樣品、用調(diào)制激光作為信號(hào)激發(fā)源進(jìn)行試驗(yàn)所得到的[12]。

Zhao等[13]根據(jù)光聲效應(yīng)，以激光二極管與超聲檢測(cè)器搭建了一套系統(tǒng)設(shè)備，并且成功進(jìn)行了離體實(shí)驗(yàn)和在體實(shí)驗(yàn)。Kottmann等[14]利用中紅外光聲技術(shù)對(duì)明膠水溶液和人體表皮進(jìn)行了檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能較為準(zhǔn)確地進(jìn)行血糖濃度檢測(cè)。

3.2 拉曼光譜檢測(cè)法

拉曼散射指的是光穿過(guò)透明介質(zhì)時(shí)，光的頻率會(huì)由于分子散射而導(dǎo)致發(fā)生改變。由于散射光受到葡萄糖分子振動(dòng)的影響，因此葡萄糖的濃度與光的頻率的變化存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。該方法通常以眼前房為測(cè)量部位，以波長(zhǎng)可調(diào)的激光束入射眼睛，通過(guò)分析采集到的拉曼譜線與入射光線之間的頻移來(lái)計(jì)算相應(yīng)的血糖值[17]。

Enejder等[18]通過(guò)采集461個(gè)個(gè)體的拉曼光譜與對(duì)應(yīng)的血糖值，使用最小二乘法進(jìn)行校準(zhǔn)，結(jié)果顯示每個(gè)對(duì)象平均絕對(duì)誤差在9.6%以內(nèi)。Zheng等[19]使用785 nm激光進(jìn)行入射，對(duì)10個(gè)測(cè)試者采集了至少3組以上的拉曼光譜，信號(hào)處理方法采用基于優(yōu)勢(shì)因子的多元PLS模型，所有測(cè)試者的平均R2值為0.844。這個(gè)結(jié)果表明，這種基于拉曼光譜檢測(cè)的微型可穿戴系統(tǒng)對(duì)血糖檢測(cè)是有效的。

拉曼光譜法的優(yōu)點(diǎn)在于水的拉曼散射很弱因而水溶液生物樣品很適合進(jìn)行拉曼光譜分析，并且得到的拉曼光譜譜峰清晰、尖銳，易于分析。缺點(diǎn)在于檢測(cè)到的信號(hào)微弱、信號(hào)處理難，并且由于眼睛這一測(cè)量部位的約束而無(wú)法隨意增加光強(qiáng)。

3.3 偏振光旋光檢測(cè)法

線性偏振光穿過(guò)葡萄糖溶液后得到的透射光也是線性偏振光，且透射光與入射光之間偏振方向的角度差與葡萄糖含量存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。該檢測(cè)方法對(duì)檢測(cè)介質(zhì)和光程有較高的要求，通常選取眼睛前房水作為檢測(cè)部位[20]。

王洪[21]使用正交雙偏振光做為入射光對(duì)葡萄糖溶液進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在葡萄糖質(zhì)量濃度為40 mg·dl-1時(shí)，測(cè)量值與葡萄糖濃度之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9777。Yadav等[22]使用波長(zhǎng)為940 nm的LED作為光源，分別在耳垂、手臂和指尖3個(gè)測(cè)量部位進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)顯示預(yù)測(cè)得到的葡萄糖濃度和實(shí)際葡萄糖濃度之間存在極強(qiáng)的相關(guān)性。

利用此方法制備的儀器光路簡(jiǎn)單、操作容易；但是偏振光旋光法測(cè)量得到的血糖值并不是實(shí)時(shí)血糖值，同時(shí)還存在測(cè)量難度大、精度低和穩(wěn)定性低等缺點(diǎn)。

3.4 反離子電滲法

基于反離子電滲抽取法的原理是根據(jù)Na+離子是葡萄糖分子在電場(chǎng)作用下進(jìn)行定向移動(dòng)的載體。在人體皮膚表層形成一個(gè)穩(wěn)定的電場(chǎng)，葡萄糖分子等將會(huì)聚集在皮膚表層。遷移的葡萄糖分子的量會(huì)隨著皮下組織液中葡萄糖分子的濃度而有所不同，從而可以間接測(cè)得血糖濃度[23]。

Cygnus公司的GlucoWatch?Biographe就是一款基于反離子電滲法的腕戴式手表，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)達(dá)12 h的血糖濃度，但無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量偏高和偏低的血糖。Sun等[24]研發(fā)了一種基于多壁碳納米管的葡萄糖生物傳感器，該傳感器的高靈敏度可以解決上述存在的問(wèn)題。

反離子電滲法的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)出的儀器方便攜帶并且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)創(chuàng)、無(wú)痛地連續(xù)測(cè)定血糖。缺點(diǎn)在于對(duì)人體的生理狀況有很高要求，并且目前的產(chǎn)品得到的測(cè)量值與實(shí)際血糖值相關(guān)系數(shù)偏低。

3.5 代謝熱整合法

葡萄糖分子在人體內(nèi)會(huì)與氧氣發(fā)生有氧反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量將會(huì)影響人體的一些生理參數(shù)。Cho等[25]認(rèn)為該反應(yīng)產(chǎn)生的熱量將會(huì)主要以熱能的形式排出體外，而與熱量相關(guān)的兩個(gè)最重要的生理指標(biāo)是血氧與血糖。通過(guò)建立血氧含量、血糖濃度以及熱量之間的關(guān)系便可以得到血糖濃度。

王弟亞等[26]對(duì)能量代謝守恒法進(jìn)行了改進(jìn)，加入了蒸發(fā)散熱、動(dòng)脈血管脈率對(duì)產(chǎn)生的熱量的影響，從而建立了對(duì)流、脈率等與血糖濃度之間的關(guān)系，通過(guò)自適應(yīng)算法與多元線性回歸算法結(jié)合的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用該血糖儀所測(cè)得結(jié)果與醫(yī)用的大型生化分析儀得到的測(cè)量結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.862。Zhang等[27]開發(fā)了一款基于MSP430的血糖檢測(cè)儀器，該儀器整合了多種生理信號(hào)采集模塊，對(duì)180個(gè)受測(cè)者進(jìn)行了無(wú)創(chuàng)連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)，提出了一種結(jié)合了反向神經(jīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)和決策樹的算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)的準(zhǔn)確度達(dá)到了88.53%。

代謝熱整合法的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、重復(fù)性好等；但是由于需要同時(shí)測(cè)量使用溫度、濕度、血氧等多參數(shù)指標(biāo)，整個(gè)系統(tǒng)較為繁瑣，并且傳感器的集成難度大，對(duì)多參數(shù)的分析也較難。

3.6 相關(guān)光譜檢測(cè)法

相關(guān)光譜檢測(cè)是一種放射免疫學(xué)方法，其原理是近紅外光通過(guò)血液時(shí)由于血液中存在的各種物質(zhì)有不同的透射率和反射率，將會(huì)產(chǎn)生不同的峰。該方法是以近紅外線(1 100～2 500 nm)照射受檢者手腕，由于血液中葡萄糖分子的振動(dòng)引起能量遷移，從而導(dǎo)致光譜之間的差異性，是一種直接檢測(cè)血糖的方法[28]。

胡永翔等[29]認(rèn)為，近紅外光譜的吸收峰強(qiáng)度弱且不同的物質(zhì)存在相近的吸收峰。因此，通過(guò)一維光譜信號(hào)來(lái)檢測(cè)葡萄糖濃度是不合理也是不可行的。他們提出在測(cè)量過(guò)程中引入動(dòng)態(tài)光譜，將不同的一維動(dòng)態(tài)光譜通過(guò)相關(guān)計(jì)算算法來(lái)獲取二維相關(guān)光譜。他們首先對(duì)離體樣本進(jìn)行了檢測(cè)，驗(yàn)證了該方法的可行性，之后通過(guò)對(duì)人體手指的ATR光譜進(jìn)行的分析進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法。

該方法的優(yōu)點(diǎn)在于獲得的信號(hào)強(qiáng)度大、商業(yè)開發(fā)成本低；缺點(diǎn)在于與血糖無(wú)關(guān)的身體參數(shù)帶來(lái)的干擾大、系統(tǒng)的靈敏度與穩(wěn)定度均不高。

3.7 無(wú)創(chuàng)檢測(cè)法小結(jié)

無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)方法是近年研究的熱點(diǎn)，除了上述的這些方法之外，目前也有其他的一些檢測(cè)方法。Lee等[30]研制了一種基于石墨烯的汗液檢測(cè)裝置，該裝置集監(jiān)測(cè)與治療于一體。該方法的創(chuàng)新性在于在石墨烯中摻雜金顆粒，提高了石墨烯的電化學(xué)活性，并形成了可穿戴的貼片。該貼片包含了加熱器、溫度傳感器、濕度傳感器、血糖傳感器以及pH傳感器，能夠通過(guò)汗液實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血糖并智能注射胰島素。對(duì)患有糖尿病的小白鼠進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，為治療糖尿病提供了新的方向。Xue等[31]基于GOx@ZnO(GOx：葡萄糖氧化酶)納米線陣列的表面酶促反應(yīng)與壓電效應(yīng)的耦合，實(shí)現(xiàn)了一種自動(dòng)檢測(cè)體液葡萄糖水平的電子皮膚。電子皮膚由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓脈沖能夠提供驅(qū)動(dòng)裝置的電力。研究小組以小白兔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了該方法的可行性。

4 總 結(jié)

血糖濃度的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)不僅能夠?yàn)榕R床診治提供可靠的參考依據(jù)，還能夠在預(yù)防糖尿病方面發(fā)揮舉足輕重的作用。隨著人們防范糖尿病意識(shí)的提升，血糖監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)也迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，上述3種檢測(cè)方式目前各有優(yōu)缺點(diǎn)。有創(chuàng)檢測(cè)方法仍然是目前市場(chǎng)上最為重要、可靠的一種測(cè)量方法；微創(chuàng)檢測(cè)介于有創(chuàng)檢測(cè)與無(wú)創(chuàng)檢測(cè)之間，但是同時(shí)也有眾多的局限性；隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)有了極大的進(jìn)展。盡管目前在無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)領(lǐng)域，由于存在測(cè)量精度、成本等問(wèn)題，工業(yè)上的大部分產(chǎn)品都沒有通過(guò)美國(guó)FDA檢測(cè)；但是無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)由于其具有方便、可連續(xù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，隨著更多學(xué)者的投入與研究的深入，其必將在糖尿病的診斷和治療方面發(fā)揮巨大的作用。