基于血糖仪作为检测器的POCT系统研究进展

周津，罗格莲，王代芳

（福建生物工程职业技术学院，福建福州 350007）

为了发展目标多样性的快速、原位和高性价比的检测方法，研究人员一直在探索POCT的发展和应用[1-8]，并对其抱有极高的期望。但是目前，只有有限种类的POCT在市场中实现了产品化。其中，最成功的例子就是血糖仪（personal glucose meter，简称PGM）[9-10]。产品化血糖仪的显著优点包括体积小、方便携带、检测成本低、定量结果准确且操作简便等[11]。

随着社会的发展进步和科学研究的不断深入，经过改进的血糖仪被进一步扩大应用范围。基于此，总结现有文献中血糖仪作为便携式检测器在POCT系统中的应用实例，为拓展血糖仪的应用范围提供思路。

1 血糖仪概述

随着全球经济的飞速发展与人类生活水平的显著提高，糖尿病患者也在逐年增多。血糖仪的研发和应用在救助和改进糖尿病患者的生活质量方面做出了重要的贡献。控制糖尿病患者的病情需要经常监测血糖含量，因此开发家用血糖仪自测已成一种趋势。目前，市场上的血糖仪是为了检测血液中葡萄糖的含量而设计，所以检测对象仅是葡萄糖，且葡萄糖的动态检测范围符合人体血糖含量，即10～600 mg/dL（或0.6～33 mmol/L）[9-10]。

2 拓展血糖仪应用范围面临的挑战

为了适应时代的发展和未来POCT的需求，需要发展更灵活、更敏感、可检测物质更丰富的便携式传感器。血糖仪通过测量葡萄糖氧化酶或葡萄糖脱氢酶催化的氧化还原反应来检测葡萄糖。由于酶具有特异的选择性，不可能对所有的目标物进行催化反应。因此，为了扩大血糖仪的应用范围，将之用于其他物质的检测，就要设计一个最终生成产物是葡萄糖的目标识别系统，使得测试结果能够用血糖仪读出以实现定量检测[12]。

3 拓展血糖仪应用范围的研究进展

近年来，研究人员使用血糖仪与功能化DNA或抗体相连接，实现了对一系列涉及到疾病诊断和环境监测的非葡萄糖目标物的检测。

3.1 药物检测与疾病诊断领域

2011年，Lu课题组[13]利用DNA酶（能够催化DNA或者是DNA酶）、适配体（能够选择性连接目标物分子）以及适体酶（能够连接DNA酶与适配体）这3种功能化DNA作为反应物，以产品化血糖仪作为检测平台，构建了一系列物质的检测方法。该方法将多种DNA固定在磁珠表面，使特异性适配体与之杂交，然后在此基础上杂交一段由蔗糖转化酶修饰的短链DNA。当加入能与适配体特异性识别的特定目标物时，修饰有蔗糖转化酶的短链DNA会从磁珠表面脱落下来。利用磁铁分离、移去磁珠复合物，向上清液中加入蔗糖溶液。因为蔗糖转化酶修饰的DNA存在于上清液中，因此会催化蔗糖水解生成大量的葡萄糖并被血糖仪定量检测。利用这种方法，该研究成功地检测了毒品可卡因、重要的生物辅助因子腺苷以及与结核病相关的疾病标志物γ-干扰素。

2012年，Lu课题组[14]又开发了一种基于三明治夹心结构的便携式检测方法。这种方法先在磁珠表面固定特定序列的DNA，并将蔗糖转化酶修饰到另一段特定序列的DNA上，当加入可以与上述两段DNA特异性互补配对的目标DNA时，就能够形成一种稳定的三明治夹心结构，从而将蔗糖转化酶固定在磁珠表面。该方法实现了利用血糖仪对乙型肝炎病毒片段的检测。基于此，他们再次设计了一种便携式的生物传感器。先将抗体包被到磁珠表面，将生物素分别修饰到二抗和蔗糖转化酶上。接着，向包被有抗体的磁珠体系中加入抗原和修饰有生物素的二抗，此时能够形成牢固的三明治夹心结构。通过磁铁分离与富集后，向体系中加入链霉亲和素和修饰有生物素的蔗糖转化酶，则形成了蔗糖转化酶功能化的磁珠复合物，因此可以通过血糖仪实现对大分子蛋白质标记物PSA以及小分子毒素赭曲霉素A[15]的定量检测。

2012年，Xiang课题组[16]设计了一种结合Fe3O4/Au纳米粒子与血糖仪的便携式生物传感器用于艾滋病病毒片段的检测。（1）将蔗糖转化酶和与艾滋病病毒DNA片段部分互补配对的一段DNA修饰在Fe3O4/Au纳米粒子表面；（2）将与艾滋病病毒DNA片段部分互补配对的另一段DNA自组装在金电极表面；（3）向反应体系中加入目标物艾滋病病毒DNA片段。由于三段DNA之间发生互补配对，从而将修饰有蔗糖转化酶的Fe3O4/Au纳米粒子固定在金电极表面，最终达到用血糖仪定量检测的目的。

2013年，杨朝勇课题组[17]利用血糖仪构建了一种目标响应的“甜心”水凝胶来检测一系列非葡萄糖目标物。将两个短链DNA片段A和B通过共聚作用嫁接到一个长的聚丙烯酰胺聚合物长链上，形成聚合物A和聚合物B。这两个短DNA片段又可以部分与适配体片段的两端分别互补配对。当加入适配体时，DNA片段A、B与适配体互相杂交形成三明治结构，引发聚合物A和B交叉联合形成水凝胶，并将葡萄糖淀粉酶包裹在内，形成“甜心”水凝胶。当与适配体对应的目标物存在时，由于适配体与目标物的亲和力更大，三明治结构不复存在，导致“甜心”水凝胶破裂，释放出包裹在内的葡萄糖淀粉酶，从而催化直链淀粉水解生成大量葡萄糖，故可以用血糖仪来定量检测与适配体对应的目标物。研究人员基于这个方法成功地检测了三磷酸腺苷和可卡因。

基于以上研究，林振宇课题组[18-19]于2014年利用血糖仪构建了一种基于点击化学检测组氨酸的便携式传感器和基于适配体检测血小板衍生生长因子的便携式传感器。

3.2 环境监测领域

2013年，Xiang等人[20]提出了一种基于侵入性DNA的方法来检测一些对蔗糖转化酶具有毒害性的金属离子。（1）向脱氧核酶基底结构中加入对应的金属离子，致使底物链中一段DNA被切断并释放出来；（2）将特定序列的DNA固定在磁珠表面，并杂交上与之部分互补配对的另一段修饰有蔗糖转化酶的DNA；（3）将步骤1中断裂的DNA片段加入步骤2中的磁珠体系。由于断裂的DNA片段与修饰有蔗糖转化酶的DNA发生竞争反应，使得原本固定在磁珠表面的蔗糖转化酶脱落并掉入溶液中，从而实现对有毒金属离子铅和铀离子的检测。

2013年，Su等人[21]提出了一种基于点击化学、利用磁性纳米粒子作为信号放大系统来检测河水中铜离子的方法。先将修饰有叠氮基的DNA利用金巯键固定在丝网印刷电极表面，再将由生物素修饰的蔗糖转化酶和炔基功能化DNA通过链霉亲和素与生物素的特异性亲和作用包被到磁珠表面，形成多分子蔗糖转化酶功能化的磁珠信号放大系统。通过加入Cu(Ⅱ)和抗坏血酸钠发生点击反应，将功能化的磁珠修饰在电极表面。最后利用产品化的血糖仪对Cu(Ⅱ)进行定量分析。

3 结语

21世纪，人们面临一系列的环境污染、食品安全和突发疾病等问题，这些问题严重地影响和制约着人们的生活水平和我国的经济发展。利用血糖仪作为检测器的便携式POCT系统因其操作简单、方便携带、低成本、能实现现场实时检测、易于合成和修饰、高选择性、高灵敏度、快速检测等优点而受到广泛的关注，并在食品工业、环境监测、药物检测、疾病诊断和治疗、基础生物学研究等方面得到广泛的应用。