基于银纳米柱阵列的汗液葡萄糖光学检测，助力多参数可穿戴诊断设备
2026-02-01 21:25:54 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文所提出的无创光学检测系统为无创、用户友好的葡萄糖监测提供了一种有前景的方法，并为未来开发用于个性化医疗的多参数可穿戴诊断设备铺平了道路。
糖尿病影响着全球超5.37亿人口，仍是最常见的慢性病之一，也是导致死亡的主要原因之一。对该疾病的有效管理需要频繁监测血糖水平，以避免并发症并维持代谢平衡。尽管连续血糖监测（CGM）技术已显著改善了糖尿病护理，但大多数现有系统仍依赖皮下电化学传感器。这些微创方法往往会导致不适、感染风险，以及患者依从性下降，尤其是在长期使用时。因此，人们越来越需要一种无创、可靠且用户友好的血糖监测策略，以适应长期的日常应用。
汗液是一种易于获取且富含信息的体液，已成为无创生物标志物监测的潜在候选对象。它含有多种与生理相关的分析物，包括葡萄糖、电解质和乳酸，在特定条件下，其成分与血液化学成分相关。不过，尽管汗液中的葡萄糖浓度与血糖水平相关，但它通常比血液中的葡萄糖浓度低10到100倍，并且变异性显著。健康个体汗液中的葡萄糖浓度通常仅为20-600 μmol/L，这使得在技术上难以实现足够的检测灵敏度和特异性。此外，汗液其它成分的干扰、不稳定的分泌速率以及皮肤表面的复杂环境，都让可靠测量汗液葡萄糖浓度变得更加困难。
为解决这些障碍，业界已经探索了多种传感策略。表面等离子体共振（SPR）由于具有特定的结合位点，并且能够在无标记的情况下实时检测生物分子相互作用，该技术已被应用于生物学、健康科学、药物开发、临床诊断以及环境和农业监测等领域。然而，基于SPR的光纤传感器存在检测限高、响应灵敏度不足等问题。这些设备难以小型化，流体稳定性有待优化，且为了更好地实现疾病诊断潜力，对于低浓度分析物，其灵敏度仍需提高。因此，SPR与可穿戴平台的集成仍然是一个关键的技术挑战。
据麦姆斯咨询介绍，芬兰奥卢大学的研究团队开发了一种便携式等离子体共振传感器，通过将等离子体纳米柱基底与光学手表原型相结合来测量汗液中的葡萄糖。该等离子体纳米柱结构在简单的LED照射下表现出强烈的局域表面等离子体共振（LSPR），并具有大范围的等离子体热点，支持表面增强拉曼散射（SERS）和基于LSPR的等离子体检测。其纳米柱用4-巯基苯基硼酸（4-MPBA）进行功能化，作为选择性葡萄糖受体，它能够通过局部折射率的变化将结合事件转化为光学信号。在进行等离子体检测之前，利用4-MPBA与葡萄糖结合的SERS信号来确认葡萄糖在纳米柱上的结合。
集成等离子体银纳米柱传感器和光学手表系统的葡萄糖检测平台
研究人员开发了一款集成623–660 nm波长紧凑型LED和光电二极管探测器的光学手表原型系统，能够向智能手机应用程序无线传输数据，实现无创检测。所开发的设备能够在生理相关范围内对人工汗液中的葡萄糖进行准确量化，检测限低至22 μmol/L。通过使用人类志愿者的汗液样本，与参考的酶试剂盒进行比较，进一步证实了便携式纳米柱传感器在无标记、无创葡萄糖检测方面的可行性和可靠性。这项研究成果为实现用于实时健康监测的可穿戴光子器件迈出了重要一步，并为个性化糖尿病护理提供了新可能。
等离子体纳米柱的SERS性能
为了评估该可穿戴系统在实际场景中的适用性，研究人员对3名健康志愿者开展了一项初步研究。研究人员利用上述光学手表原型检测志愿者骑行时收集的汗液样本，并将其与智能手机连接以查看实时数据。为了验证结果的可靠性，测试中使用Amplex™ Red葡萄糖/葡萄糖氧化酶检测试剂盒作为参考标准。下图f显示了3名志愿者的汗液葡萄糖检测浓度，表明纳米柱传感器具有较高的检测精度。这一结果证明了该光学手表在实际汗液检测中的可行性和潜在应用价值。当然，该研究方法仍处于临床验证的初步阶段。由于样本量有限，尚不足以充分反映其在临床实践中的适用性。未来，将进一步扩大临床样本量，并持续优化检测方法和传感器设计，以提高其稳定性和通用性。
利用光学手表原型进行可穿戴等离子体共振检测
总结而言，本研究提出了一种基于功能化银纳米柱的可穿戴LSPR传感器系统概念。该系统旨在实现对人体汗液中葡萄糖含量的无创、无标记检测。该平台采用4-MPBA作为选择性分子识别界面，结合纳米结构增强的光学灵敏度，对人工汗液的检测限达到22 μmol/L。研究人员在3名志愿者汗液中葡萄糖检测的实验中，利用市售葡萄糖检测试剂盒验证了这种便携式光学传感器的准确性和可靠性。表明该传感器在生理相关浓度范围内能够保持稳定的性能。研究结果证明了将纳米等离子体材料、分子识别化学和微光学相结合，开发实用型可穿戴生物传感器的潜力。所提出的系统为无创、用户友好的葡萄糖监测提供了一种有前景的方法，并为未来开发用于个性化医疗的多参数可穿戴诊断设备铺平了道路。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01152-6
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