基于PMOF/GOx的比色试纸的开发，用于非侵入性检测泪液样本中的葡萄糖含量

时间：2026年2月4日

来源：Microchemical Journal

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非侵入式血糖监测新方法基于PMOF纳米酶与葡萄糖氧化酶（GOx）试纸，通过电沉积组装形成复合物，解决背景干扰与pH不匹配问题。试纸在人工泪液中实现0.04 mM检测限，线性范围0.05-1.0 mM，可直观检测泪液血糖差异，适用于糖尿病风险评估。

西安交通大学第二附属医院眼科，中国西安710004。

摘要

非侵入式泪液葡萄糖监测在糖尿病管理中具有巨大潜力，但仍面临样本量少等挑战。本研究提出了一种新型的基于视觉的检测策略，该策略利用了卟啉金属有机框架（PMOF）纳米酶与葡萄糖氧化酶（GOx）结合在试纸上。PMOF的过氧化物酶（POD）活性远高于氧化酶（OXD）活性（POD/OXD比值约为32），从而实现了几乎可以忽略的背景干扰。关键在于，将其固定在纸试纸上显著扩展了高POD活性的pH范围（>80%的最大活性），从溶液中的pH 3.5–4.5扩展到pH 3.0–6.5，解决了与GOx（最佳中性pH）之间的pH不匹配问题。静电组装形成了稳定的PMOF/GOx复合材料。由此制成的试纸通过GOx-POD级联反应实现快速、一步式的葡萄糖检测，产生的颜色信号肉眼或智能手机均可识别。优化后的试纸在人工泪液基质中表现出0.05–1.0 mM的线性检测范围和0.04 mM的最低检测限，有效覆盖了临床相关的泪液葡萄糖水平（健康人：约0.2 mM，糖尿病患者：约0.92 mM）。该系统对葡萄糖具有高特异性，并且稳定性持续一个月。在人工泪液中成功量化葡萄糖且回收率接近100%，验证了其在非侵入式糖尿病筛查和监测中的潜力。

引言

葡萄糖是一种重要的生化标志物，反映了生物体的运行状态和健康状况，存在于血液、尿液、汗液和泪液等多种体液中[1]。根据世界卫生组织的数据，糖尿病与血糖水平密切相关，全球约有数亿人受其影响[2]。指尖采血仍是目前最常用的血糖监测方法[3]，但这种方法会引起疼痛，可能导致患者对频繁检测产生抵触。研究表明，泪液中的葡萄糖水平与血液中的葡萄糖水平存在一定相关性，临床研究也表明糖尿病患者和健康个体的泪液葡萄糖浓度存在差异[4]、[5]、[6]。因此，测量泪液葡萄糖浓度可能为未来提供一种可行的非侵入性和连续性的血糖监测方法。

目前，尚无标准化的泪液葡萄糖浓度测量方法。理论上，电化学和光学传感方法均可用于葡萄糖检测[7]、[8]。考虑到泪液样本量少、背景颜色浅以及葡萄糖含量低的特点，基于过氧化物酶（POD）纳米酶与葡萄糖氧化酶（GOx）结合的光学传感检测方法具有较大的应用潜力。其基本原理是GOx催化葡萄糖生成过氧化氢，再由POD纳米酶与显色底物反应生成有色产物。在此催化过程中，葡萄糖浓度与过氧化氢的生成量直接相关，进而决定了显色产物的浓度，从而实现葡萄糖浓度的测定[9]、[10]、[11]。早期的检测方法通常需要分别使用这两种酶进行催化反应，使检测过程较为复杂[12]。最近，研究人员通过结合POD和GOx开发出了级联酶系统，实现了一步式检测[13]、[14]。然而，目前大多数研究仍集中在溶液系统中的葡萄糖检测[15]、[16]。为了便于使用，基于纳米酶的葡萄糖检测试纸结合视觉颜色检测方法具有更广阔的应用前景。

大多数POD纳米酶表现出较强的氧化酶（OXD）活性[17]、[18]，而OXD活性可以在不涉及分析物的情况下氧化底物产生信号。这通常会导致葡萄糖检测系统中的背景值较高。在基于试纸的检测环境中，这一问题尤为明显，表现为信号弱且背景高。常见的解决办法是优化POD纳米酶的制备以降低其OXD活性[19]、[20]、[21]。此外，POD和GOx的最佳pH值不一致是这类传感器设计中的一个主要瓶颈。为了解决这个问题，大多数研究合成了新的材料，使POD活性纳米材料的最佳pH值更接近GOx催化的最佳pH值[22]、[23]。与直接溶解在水溶液中的纳米酶催化系统不同，附着在试纸等载体上的纳米酶往往表现出不同的性质，例如最佳pH值的变化[24]、[25]。然而，很少有研究探讨过在试纸检测环境中POD的背景活性和最佳组合pH值。

在本研究中，我们选择了卟啉金属有机框架（PMOF）纳米酶作为核心传感元件，并将其与天然GOx结合构建了一个葡萄糖检测系统（图1A）。PMOF的POD/OXD活性比约为32，因此其OXD活性几乎可以忽略不计。当PMOF加载到试纸上时，其OXD活性仍然较低，同时保持高催化活性的pH范围（最大催化活性的80%以上）从溶液中的pH 3.5–4.5扩展到pH 3.0–6.5，显著增强了其与GOx的协同效应，因为GOx的最佳催化活性接近中性（图1B）。PMOF可以通过静电相互作用与GOx结合形成PMOF/GOx复合材料。基于PMOF/GOx的葡萄糖检测试纸在酸性到中性条件下均无显著的OXD催化效应，并具有高活性pH催化范围。根据GOx-POD级联催化原理（图1C），PMOF/GOx试纸可以通过肉眼观察和智能手机拍照进行定性和定量分析。其线性检测范围为0.05–1.0 mM，检测限为0.04 mM，适用于监测泪液中的葡萄糖浓度。最后，我们使用人工泪液模拟实际样本，证明了该方法能够区分泪液中的高葡萄糖浓度和低葡萄糖浓度，有助于评估糖尿病风险。

材料

3,3′,5,5’-四甲基联苯胺（TMB）、乙酸、铁介四（4-羧基苯）卟啉氯化物（Fe-TCPP）和八水合氧化锆（ZrOCl₂•8H₂O）购自Macklin（中国上海）。醋酸钠、盐酸（HCl）和磷酸二氢钠（NaH₂PO₄）购自Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.（中国上海）。过氧化氢（H₂O₂，30%）购自 Guangdong Guanghua Sci-Tech Co., Ltd.（中国广东）。葡萄糖氧化酶（GOx）购自...

结果与讨论

PMOF是通过一步水热合成方法使用铁四（4-羧基苯）卟啉（Fe-TCPP）和ZrOCl₂作为前驱体制备的[21]。透射电子显微镜（TEM）图像显示，PMOF纳米颗粒呈不规则球形，大小约为50 nm，并且可以均匀分散（图1A）。紫外-可见吸收光谱显示其在420 nm处有明显的吸收峰（图1B）。为了确定PMOF中的元素及其状态，进行了X射线光电子能谱（XPS）测试。

结论

本研究开发了一种基于卟啉金属有机框架（PMOF）纳米酶与葡萄糖氧化酶（GOx）结合的葡萄糖检测系统。PMOF表现出显著的过氧化物酶（POD）活性和几乎可以忽略的氧化酶（OXD）活性，POD/OXD比值约为32。当PMOF加载到试纸上时，在pH 3.0–6.5的范围内保持高催化活性，增强了其与GOx的协同效应。PMOF/GOx复合材料是通过静电相互作用形成的...

CRediT作者贡献声明

Aoxue Zhang：撰写——原始草稿、软件开发、方法论设计、数据整理。Weijuan Jia：软件开发、方法论设计、实验研究。Wei Wei：软件开发、方法论设计。Minyang Su：方法论设计。Yazhong Bu：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金申请、概念构思。Baoji Du：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金申请、概念构思。Lei Xiong：撰写——审稿与编辑、项目监督、项目管理。