本文作者谌凌女士，硕士，上海交通大学生命科学技术学院生物医学工程系研究生，张继武先生，博士生导师，兼职教授，Kodak全球医疗研发中心总监。
关键词: 血糖自检 电化学生物传感器 催化剂 无创检测
近红外检测技术 吸收波长
糖尿病是一种内分泌疾病，在世界 范围内广为流行。全世界约有140000万人患有糖尿病。我国已有3000万的糖尿病患者，而且每年以1%的速度增加，在中国2004年由糖尿病导致的死亡率已经跃居第7位 。糖尿病的危害不仅表现在它的高死亡率，而且表现在它引发的各种可导致患者残疾的并发症。
血糖水平是一个在糖尿病诊断、病情控制和治疗中起着重要作用的医学指标。医疗界普遍认为通过控制病人的血糖值，将其维持在一个安全的水平，可以防止疾病恶化，减少并发症。所以血糖监控和定时测量血糖的巨大需求引发了血糖检测技术的不断进步。本文主要介绍血糖检测技术和应用这些技术开发的各类血糖监测仪器。
血糖检测技术分为有创技术和无创技术两类。有创技术一般是采静脉末梢血或体液使用电化学生物传感器来直接或间接测血糖值。无创技术是使用物理的方法间接测血糖，最大特点是对人体不产生创伤。
一 有创或微创血糖检测技术
在我国，血糖测定主要以静脉血为主，毛细血管末梢血为辅。糖尿病的确诊必须以通过静脉血样分析得出的血糖值作为标准。 静脉血样分析通常在医院的化验室完成。但是在糖尿病的诊断、治疗和管理阶段都要求对血糖水平进行紧密、可靠地监测。血糖自我检测仪(Self-Monitoring of Blood Glucose，SMBG)就是主要完成这类功能的。常见的这类仪器都是采集毛细血管末梢血来测血糖，主要是基于电化学传感器技术，属于有创技术。
1. 电化学传感器技术理论基础
使用电化学传感器来检测血糖的想法最早始于1962年，最初的基本思想是依靠氧电极附着的葡萄糖氧化酶(GOx)薄层来检测酶催化的反应里消耗氧的量来测血液中葡萄糖含量。后来发展成使用一种或多种酶把没有电活性的物质转变成有电活性的产物，使用两个电极来消除干扰，利用安培计检测被释放的过氧化氢量，实现对血糖的测量。这个过程可以使用两个化学方程式来简述。
glucose+oxygen→gluconic acid+hydrogen peroxide (1)
H2O2→O2+2H++2e－ (2)
在上个世纪80年代，大量的研究工作集中于发展基于催化剂的第二代葡萄糖传感器和使用可以更换的电极提高传感器的性能。90年代，注意力集中于建立GOx反应中心和电极表面的电联系和发展微创的可移植设备。下面就从电化学传感器技术中几个着重解决的技术要点来介绍血糖检测技术发展。
a. 测量电极性能的改进
第一代设备依靠天然的氧化酶，检测氧化还原反应生成的过氧化氢和过氧化氢的产物[见方程(1)和(2)]来工作的。尤其是使用了小尺寸的传感器，使得测量过氧化氢变得简单。通常的配置是YSI探头，它负责在外层的聚碳酸酯层和内部抗干扰的醋酸纤维素层之间捕获积聚的GOx。
利用安培测量法来测量过氧化物必须利用共存的各类物质之间存在的电压。但是生物制剂溶液里的有活性的物质(如维生素、尿酸素或醋安酚)和其它可以被氧化的成分在阳极的聚集，会损害选择性，从而减低整体准确性。80年代大量的努力都投入在减少葡萄糖电极的电活性干扰上。解决的方法就是加上一个具有选择渗透性的涂层，它不仅可以减少干扰成份聚集到传感器表面的通路，而且同时也阻止了有表面活性的单聚合细胞，因此，赋予了传感器更高的可靠性。涂层的通过率与涂层的大小、电荷或极性都有关系。例如带阳性的薄膜，尤其是聚乙烯(苯二胺)和过氧化的聚乙酰吡咯在相同大小的排斥性下，具有最高的选择性，同时还可以限制GOx 到达表层。其它的覆层还有带负电的苯磺酸盐，Nafion和Kodak的AQ离子交联聚合物和按比例排斥的醋酸纤维素薄膜以及不易沾水的油脂层等。使用不同比例的混合层可以获得特殊的性能。例如交替沉积的醋酸盐纤维素和Nafion 被用来分别消除中性的醋胺酚和带负电荷维生素和尿酸。
进入90年代，研究的重点集中在自由过氧化氢的优先电接触特性检测上。这使得检查电压进入一个最理想的区域，在这个位置上许多不希望的背景反应都被忽略，这样可以获得十分高的选择性又有了快速和敏感的响应。
b. 氧依赖性
基于氧化酶的设备依靠氧来接受电子，由于氧的压力和氧的化学计量的限制使得它们易于因为波动而发生测量错误。这种限制(即“氧的缺乏”)反映了一般氧浓度的幅度是略低于葡萄糖生理学水平的。
解决这种局限性的方法很多。可用有限制作用的薄膜(如聚亚安酯或聚碳酸酯)来适应葡萄糖和氧的流量变化。例如，增加氧/葡萄糖的渗透率。Gough小组使用一个二维的电极解决氧缺乏问题。这个新传感器使用一种碳氟化合物(Kel-F )，电极表面抹上一层具有很高氧溶解度的液体，使得电极可以成为内部氧的来源。内部氧的流动使得在氧缺乏的葡萄糖溶液里也可以实现酶反应。另一种方法是通过使用不需要氧的葡萄糖脱氢酶(GDH)代替GOx来解决氧需求问题。
c. 在GOx和电极表面转移电子
由于四羟酮醇氧化还原中心包裹了一个厚厚的蛋白质层，这使电子供体和接受体之间形成隔离，葡萄糖氧化酶不会直接把电子传输到传统电极上。在第二代的葡萄糖传感器里使用非人工合成的电子接收器代替氧来接受电子，这种电子接收器可以把电子从酶反应的中心发射到电极的表面。下面流程描述了使用人工催化剂使得电子在FAD中心和表面运动有极大提高的过程。
glucose+GOx(ox)→gluconic acid+ GOx(red) (3)
GOx(red)+2M(ox)→GOx(ox)+2M(red)+ 2H+ (4)
2M(red)→2M(ox)+2e－ (5)
其中M(ox)和M(red)是人工催化剂经过氧化和还原反应后的物质形式。人工催化剂在这个循环产生了一个依赖葡萄糖浓度的电流。检测此电流的大小就可以得出葡萄糖浓度值(见图1)。
使用这些带电子的媒质后，测量可以很大层度上不再依赖氧偏压，只要有一个较低的潜在势能就可以实现，同时不会引起共存的带电种类物质产生干扰反应(等式5)。为了使功能更加有效，媒质必须反应快速(为了使它与氧气的竞争最小化)，拥有好的电化学特性，必须无毒且化学性质稳定。下面的部分描述的是商业化的自测血糖仪特性，它们一般采用二茂(络)铁或铁氰化物媒介物。但是，考虑到潜在的过滤作用和媒介毒性，大多数实际设备是没有媒介的。
2. 家用血糖仪
绝大部分市场上热卖的血糖仪都是基于电化学生物传感器的家用葡萄糖测试仪，性能已经很稳定。大部分个人使用的血糖测量仪是基于一次性使用的酶电极测试条。配合试纸工作的部分有打印功能，参考电极，包括必需的反应试剂的工作电极，一个计数器和一个附加工作电极等。
这种血糖仪的特点是体积小、重量轻、便于携带、电池供电、操作简单、污染物少。相比较传统化验方法 ，这种设备提供一种更快、更简单、更便宜的途径获得较为理想的测量信息，所以前景光明。不同的商业化的血糖仪，其试纸条都是使用铁氰化物和二茂(络)铁作为催化剂。
现在大部分的产品都朝减少采血量、快速检测、减少采血不适(如从手臂上采血)等方向努力。外部功能扩展上主要是加大数据存储量和计算机数据下载功能。
3. 血糖的连续动态监测
尽管血糖自测使用方便，但是在24h内它能进行测试的次数受限。这种间隔时间过长的测试忽略了一些典型的血糖变化，例如夜间变化，所以测量值与血糖实际变化的拟和效果比较差。连续观测得到的血糖谱要比分时多次测量得到血糖谱更接近真实情况。尤其是在血糖不足和高血糖的情况下，需要频繁连续的测试控制血糖，做出更加有效的治疗决定。血糖传感器检测技术的研究转向了如何实现连续的血糖检测。
用于连续监测的传感器尺寸和大小必须易于移植，不舒服感很小，在生物适应性方面，不仅要考虑在实际环境中，传感器对环境的影响，也要考虑环境对传感器的影响。
发展可移植设备最大的壁垒是生物适应性问题。大多数葡萄糖传感器都不满足在全血环境下较长可靠工作的这个生物适应性必须条件，所以传感器的特性和放置传感器的位置发生转变。现在大部分的注意力都集中在皮下可植入针式传感器(图2)，这种设备可以连续使用数日，病人可以自己放置传感器。在测量体液中葡萄糖方面已经完成很多基础性的工作，如短期的植入人体的层度、连续使用的可靠性、是否有足够的监测可靠性(大于1周)等。这种仪器还提供快速，恰当的纠正功能，已经找到组织液里的葡萄糖浓度与血糖值的瞬时差值的矫正算法了。
Cygnus公司设计出一种可佩戴的血糖检测器，它的背面采用电离子透入的方法收集葡萄糖和生物传感器功能。这个新的GlicoWatch 生物记录仪(图3)可提供连续12h的测量，每小时3次读取葡萄糖值的功能。它利用电涂层提取的葡萄糖在进行测量，据报道它的精度达到医学诊断可以接受的水平。此外它还包括了对血糖水平特别低或特别高时报警提醒的功能。
由于连续血糖检测有广阔的市场前景和研究机会，所以吸引了许多研究小组和公司通过各种途径来实现这个目标。但是要实现长时间连续、固定的和可靠的检测还有不少工作要做，例如提高GOx的氧化还原中心和电子表面的电接触性，加固贮存GOx，新的无痛微晶玻璃测试，先进的生物适应性材料膜材料等。
连续血糖检测直接用途是小型化，嵌入胰岛素注射系统，根据病人的血糖变化情况自动改变胰岛素用药量，并记录病人血糖值，实现人工胰脏功能。
二 无创血糖检测技术
有创和微创技术对糖尿病患者身体都有不同程度的损伤，而无创技术的优点是不使用生物有害物，不接触刺伤肌体如采血; 可以进行长期的连续检测等。无创检测技术主要分为光谱技术和非光谱技术，在光谱技术中，有近红外、远红外和偏振光技术。
1. 近红外光谱技术
光谱技术中近红外技术被认为是最可行的，也是美国食品与药品管理局(FDA)最早认为有市场前景的光谱分析技术。
a. 近红外光谱检测原理
选择近红外光作为测量光源的原因是: 一方面它对人体几乎无害; 另一方面人体组织对近红外光有特异吸收特性。
葡萄糖在近红外区的谐波与其分子各组成基团的振动结合波能对光产生吸收反应而影响测定的透过光或反射光信号强度，使得光谱特征发生变化。通过化学计量理论对样品光谱和成分浓度进行关联，建立校正模型，通过得到的校正模型和待测浓度样品的光谱信息来预测样品的组成。
波长在0.6~1.3mm的可见光和近红外光，组织吸收很少，形成低光学吸收窗口，同时组织对其散射最强，有较强漫反射率和透射率，因此它可以很好地穿透组织，最深处达1cm。
根据Lamber-Beer光学定律: 光在溶液中传播，其吸收率正比溶液中溶质的浓度。当光穿过测试部位时，衰减光强中的被血糖吸收的分量正比于血糖浓度，而且不同的波长对血糖和水有特异的吸收关系。如表1所示血液不同成分对近红外光的吸收特性。
从表1可以看出由于人体血液多种成分在不同的波段对近红外光都有不同程度的吸收。为了减小血液中其它成分的影响，通常选用 650~1400nm波长范围内的光谱，而且选择一部分谱线对血糖浓度变化敏感，另一部分谱线对血糖变化不敏感。尽量使选取的波长对葡萄糖的吸收比较好而对其它物质的吸收较差，或是葡萄糖的吸收较差而其它物质吸收较好。
多个波长对肌体照射时，葡萄糖和其它肌体成分在每一个波长有不同程度的吸收。如果可以测量出多个波长的近红外光(NIR)被体内血糖吸收的量和反射量，再对照标准光的强度，所得的光信号进行多变量分析，就可以得出各个波长下的葡萄糖光吸收及其相应浓度。
b. 近红外光谱检测存在的问题及技术分析
到现在为止，还没有看到被市场认可的基于近红外光谱技术无创测血糖的仪器。遇到的难题是测量准确性不能保证，利用近红外无创进行血糖检测的研究过程中主要有以下几个主要因素影响测量准确性。
(1)测量系统的校正光谱的确立。因为在实际测量中，有很多误差都会影响测量，需要通过定标来消除或给与补偿。有一些误差却不容易定量描述，例如探测器定位误差、温度和脉搏的影响、检测设备的机械压力、水合作用、出汗、血容量以及血流比容积的变化等。研究方法主要有两种，一种是实验方法，用有创伤的方法测量血糖浓度，在进行口服耐糖检测(OGTT)时从非糖尿病人群和糖尿病患者中无创地收集光谱信号，利用有创所得血糖值和无创收集的光信号的关系建立模型。这种方法的缺点是不能测量出其它的代谢物、干扰物、生物噪声或者仪器与身体接触面的变化等信息，但它可计算出这些噪声所带来的影响，是一种宏观的描述。另一种方法是物理模型方法，首先使用近红外光照射一组标准葡萄糖溶液，测量葡萄糖的信号。然后逐渐增加标准液的复杂性来模拟人体组织，并描述每一步的精度和准确度，再用数学模型把数据关联起来，用于组织中的光线传播，最后把研究的测量方法和系统应用到人体中。利用数学建模的方法把测量部位得到的信号与通过化学测量技术得到的有创伤数据关联起来。这种方法可以鉴别噪声成分，因此利用这种方法在使用化学测量技术之前消除噪声对信号的影响。
(2)测量部位的选择和个体差异对测量的影响。根据大量的研究表明，由于不同的测量部位的组织结构和成分不同，对测量都有显著的影响。对人体的不同的部位，耳垂、手指、舌头、手指连接处等位置进行测量，发现脂肪对光线的吸收是一个比较大的噪声，舌头被认为是最佳测量部位，但是在实际测量时，一般进行的部位却是手指，这是综合考虑测试部位是否富含血管，是否易于测量，和测量部位的噪声做出的综合选择。
(3)模型的通用性有待提高。由于人体的复杂性，不同人的肤色、角质层的厚度、不同测量区域都对测量有影响，所以难以建立一个人人适用的模型。所得到的模型换了一个目标准确性又大大降低，或是同一个对象数据建立的模型，再经过一段时间后，精度降低，这些都说明模型的建立还有很多问题有待解决。还有每次测量对需要对仪器进行定标。 到目前的为止，虽然有不少公司宣布研制出近红外的无创血糖测试仪器，但是还没有一家通过了FDA或类似权威机构的验证。
综合上述，可以看出近红外检测血糖的技术要实现商业化还是有很长一段路要走。
2. 其它光谱检测技术
远红外光谱分析是测定肌体葡萄糖对远红外光(FIR)的吸收。它不需要外部能源辐射技术，是对人体的热辐射中位于远红外波段进行分析。 虽然远红外光在 9400nm附近有一个特有的葡萄糖吸收带，但是人体的热辐射信号很小，不利于检测; 使用远红外光谱测定体内血糖的仪器需要和冷却的FIR检测器相连，制冷液目前使用的液氮还是不方便。 近红外光谱检测被认为是最有可能实现的。
另一种是偏振光测定法。无创性血糖偏振光测定血液中葡萄糖对偏振光所产生的旋光性。由于葡萄糖是一种具有旋光性或手性的化合物，当一束平面偏振光通过含有葡萄糖的溶液时，偏振光的平面将发生旋转，旋转的角度与葡萄糖的浓度呈比例。红外偏振光通过肌体，在这一个过程的旋光量的大小可被测定，有动物试验表明眼液葡萄糖含量与血液中葡萄糖含量呈良好的正相关关系。以偏振光技术测定血糖主要面临所产生的信号太小，测试设备价格昂贵、不适合大面积、低成本的应用方向等问题。
三 血糖仪市场现状
1. 血糖仪市场的基本情况
在糖尿病治疗过程中，1型糖尿病和50%的2型糖尿病患者都必须进行胰岛素治疗。在使用胰岛素和其它药物治疗的同时需要进行血糖溶度检测，以便随时调整用药量。
现在市场上普及的血糖仪都是基于有创或微创技术的。 在发达地区糖尿病患者使用血糖仪的比例高达90%以上。我国已有5000多万人受到糖尿病的威胁，但是只有3%的人使用血糖仪。
现有的有创产品尤其是耗材连续消耗已经令血糖仪生产商获得稳定的巨大利润。在2000年，据Frost&Sullivan估计，血糖仪和试纸条在泛太平洋区域(不包括中国)、美国和欧洲的市场总额超过28.9亿美元，估计2005年会超过59.7亿美元。未来中国的市场潜力更大，所以各大血糖仪生产商都在抢占中国市场。
无创血糖检测仪器最大的优势是方便、无创、可连续测量。但是它的可靠性和准确度还是一个问题。由于无创检测技术使用过程需要专业人员的指导，而且不能完全脱离采血测的血糖量进行校准，这些都会带来成本的提高。相对于繁荣的有创血糖仪市场，基于无创技术的血糖检测产品的商业化还有很长一段路要走。
2. 展望
由于有创技术和无创技术各有优劣，在一个较长的阶段，两种技术将取长补短，互助互利。我们知道对于类似糖尿病这种重大疾病，后期治疗的难度和费用都远远大于早期诊断和预防。随着人们对糖尿病认识的逐步加深，人们会更加注重糖尿病的早期预防和诊断。有创技术和无创技术的结合可以使血糖检测和连续监控变得更加高效、快捷，这对早期发现糖尿病和糖尿病的治疗都很有好处。
来源：《世界医疗器械》
出版日期：2005年12月
