集成人工智能的智能手机平台支持有色人种（POC）通过无指示剂的纳米酶凝胶试剂盒进行双通道血糖监测

《Bioscience Reports》：AI-integrated smartphone platform enables POC dual-channel glucose monitoring with an indicator-free nanozyme gel kit

基于葡萄糖氧化酶（GOX）模板的二氧化锰纳米片合成了一种无标记双模血糖监测平台，通过微波辅助静态生物矿化策略实现酶活性与荧光特性的保留。该平台结合琼脂糖凝胶微流控实验室和智能手机深度学习应用，可在30分钟内完成唾液葡萄糖检测，线性范围0.01-10 mM，检测限8.8 μM，与商业产品准确性相当。

　　

赵迪|唐欣|林毅伟|薛莲|张毅伟|陈鹏|冯晓军|杜伟|刘碧峰

中国教育部生物医学光子学重点实验室，位于武汉国家光电子实验室——湖北生物信息学与分子成像重点实验室，系统生物学主题，华中科技大学生命科学技术学院生物医学工程系，武汉，430074，中国

摘要

我们通过微波辅助的静态生物矿化策略合成了以葡萄糖氧化酶（GOX）为模板的MnO₂纳米片，开发了一种无指示剂的双模式葡萄糖监测平台。这种方法在形成稳定纳米结构的同时，保留了酶的天然活性和内在荧光。从机制上讲，MnO₂纳米片最初通过F?rster共振能量转移（FRET）淬灭GOX的荧光。在葡萄糖存在下，酶产生的H₂O₂将MnO₂还原为Mn²⁺，从而同时引起颜色褪去和荧光恢复。基于溶液的传感器在0.005至10?mM的浓度范围内表现出线性响应，检测限（LOD）为2.9?μM。为了便于现场检测（POCT），我们将纳米材料嵌入琼脂糖凝胶中，创建了一个“微管实验室”。结合基于深度学习算法的智能手机应用程序（SmartGDS），该平台能够在30?分钟内快速、基于荧光和比色法定量唾液中的葡萄糖。集成系统在0.01–10?mM的范围内实现了线性响应，检测限为8.8?μM。使用临床唾液样本的验证表明，其准确性与商用血糖仪相当，证明了该平台在非侵入性、低成本健康管理方面的潜力。

引言

葡萄糖是一种重要的能量来源和代谢中间体，在生物过程中起着不可或缺的作用。然而，异常的血糖水平可能导致各种代谢紊乱，包括糖尿病和低血糖（Sun和James，2015；Hwang等人，2018；Wang，2008）。值得注意的是，糖尿病已成为一个重大的全球公共卫生问题，影响着全球超过3亿人。这种情况经常导致严重的并发症，如心血管疾病和慢性肾病（Yuan等人，2015；ElSayed等人，2023）。虽然葡萄糖监测对糖尿病管理至关重要（Lee等人，2023），但传统方法依赖于侵入性技术，如指尖采血和静脉穿刺，这些方法会引起不适，并且在操作不当的情况下存在交叉感染的风险（Dou等人，2020；Jiang等人，2018）。最近的研究探索了使用各种生物流体进行非侵入性葡萄糖监测，包括尿液（Feng等人，2023）、汗液（Qureshi和Niazi，2023）、眼泪（Xie等人，2022）和唾液（Yang等人，2019）。其中，唾液由于其易于采集和低存储成本而具有特殊优势，使其成为葡萄糖监测的有希望的替代品（Diouf等人，2019）。然而，唾液中的葡萄糖浓度非常低，仅为血液葡萄糖水平的1/100至1/50（健康个体的浓度为0.23-0.38?mM，糖尿病患者的浓度为0.55-1.77?mM（Arakawa等人，2016），而正常血液葡萄糖水平为4.9-6.9?mM（Corrie等人，2015））。此外，与相对稳定的血液环境不同，唾液含有复杂的基质，其中含有特定的干扰物质——如抗坏血酸、尿酸和各种蛋白质——这些物质可能会使传感器表面失活或产生虚假信号，从而带来额外的分析挑战。

目前，快速葡萄糖检测是一个相对成熟的领域。Sano Biosensing等公司生产的商用POCT产品已被广泛用于日常糖尿病管理。尽管这些商用设备提供了可靠的解决方案，但它们并不妨碍探索新的传感方法，特别是基于纳米酶和比色策略的方法，这些方法在视觉读数和稳定性方面具有独特优势。在研究领域，科学家们已经开发了各种基于生物和化学检测技术的葡萄糖传感器（包括质谱法（Kleinridders等人，2018）、比色法（Liu等人，2020）、高效液相色谱法（Fan等人，2019）和电化学检测法（Yan等人，2025））。其中，比色传感器由于其高灵敏度、操作简单性和成本效益而成为最常用的检测工具。传统的比色葡萄糖检测依赖于涉及生物酶（如葡萄糖氧化酶（Chen等人，2012）和过氧化物酶（Pramanik等人，2020））以及显色指示剂（如TMB（Mercan等人，2021）和血红蛋白（Zhang等人，2025）的级联反应。这些基于酶的生物传感器对葡萄糖具有高特异性。然而，天然酶容易受到环境条件和温度变化的影响，导致稳定性问题，阻碍了它们在稳健传感方法中的集成。

为了克服天然酶的局限性，人们广泛开发了各种人工纳米酶作为天然酶的替代品。这些包括金属（Ag、Pt、Fe、Co）（Park等人，2022；Mao等人，2022；Huang等人，2017）、金属氧化物（CeO₂、Co₃O₄）（Liu等人，2019）、金属有机框架（Chen等人，2020）和碳基结构（石墨烯、碳纳米管和石墨）（Cheng等人，2025；Peng等人，2025），它们具有高催化活性、低成本和优异的稳定性。然而，依赖这些材料通常需要与葡萄糖氧化酶（GOX）进行复杂的级联反应来进行比色葡萄糖检测（Han等人，2018；Zhang等人，2018）。在这种系统中，酶-纳米酶级联通常需要单独储存和顺序添加，导致程序复杂和储存条件严格（Guo等人，2022；Yu等人，2021）。此外，这些系统还需要额外的显色指示剂，如3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）（Mercan等人，2021）、邻苯二胺二盐酸盐（OPD）（Fu等人，2022）和2,2′-偶氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）二铵盐（ABTS）（Liu等人，2025），这限制了实际应用。尽管通过物理吸附或共价结合将纳米酶与GOX结合可以解决一些问题，但这些方法可能会损害两种组分的活性。因此，开发一种自包含的、无标记的材料系统，消除对外部指示剂的需求，是推进生物传感方法的关键方向。

MnO₂纳米片具有高比表面积，可以产生FRET效应来淬灭荧光，并表现出类似过氧化物酶和氧化酶的活性（Yao等人，2019）。这些二维纳米材料可以与还原性生物分子（如谷胱甘肽（GSH）（Cao等人，2021）、抗坏血酸（AA）（Li等人，2022）和过氧化氢（H₂O₂）（Yao等人，2021）发生氧化还原反应，从而导致其降解。基于这些特性，MnO₂纳米片已成功应用于比色和荧光传感系统。使用蛋白质模板进行MnO₂纳米片的仿生生物矿化制备具有优势，包括温和的反应条件、可控的大小和简单的合成方法（Di等人，2024）。由于这种合成方法避免了水热方法中通常使用的强氧化剂和表面活性剂，因此可以有效保留模板蛋白质的生物活性。此外，GOX是一种含有黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD） prosthetic基团的黄蛋白，可以发出特征性的黄绿色荧光（发射峰约为520-530?nm），这可能赋予GOX独特的荧光特性（Wang等人，2022）。因此，基于GOX的这些特性，并结合MnO₂纳米片的生物矿化合成优势，我们提出探索GOX-MnO₂纳米片作为核心传感材料的应用潜力，仅使用葡萄糖作为模型目标来验证这种新方法。

近年来，为了解决基于纸张的POCT平台的局限性，如灵敏度不足和稳定性差，研究人员开发了基于替代固相载体的传感器。其中，刺激响应性水凝胶（包括光响应性（Dong等人，2018）、多响应性（Downs等人，2020）和生物驱动响应性水凝胶（Shi等人，2019）展示了巨大的潜力。水凝胶不仅具有出色的机械支撑和生物相容性，其多孔结构还为纳米材料的固定提供了惰性环境，有效隔离了外部干扰（如唾液蛋白），同时促进了目标分子的自由扩散（Ogura和Rehm，2019）。这些特性表明，水凝胶是建立稳健传感方法的理想固相载体。

受上述研究的启发，我们开发了一个与智能手机集成的“微管实验室”琼脂糖凝胶传感平台，以实现快速和灵敏的现场分析方法。我们不仅专注于唾液葡萄糖检测，还旨在验证核心材料的双功能设计。首先，设计了一种特别方便且环保的方法，在原位使用GOX合成MnO₂纳米片，同时利用GOX作为生物矿化模板、催化剂和荧光报告剂。然后将材料嵌入低熔点琼脂糖凝胶中，并组装成便携式微管试剂盒。在葡萄糖存在下（作为概念验证分析物），MnO₂纳米片被葡萄糖水解产生的H₂O₂还原为Mn²⁺，进一步抑制了FRET效应，实现了MnO₂纳米片本身的颜色（棕色）和GOX的荧光颜色（黄绿色）的结合。凝胶试剂盒的颜色变化由智能手机摄像头收集，灰度级别通过自开发的移动应用程序进行分析。实现了智能手机辅助的、便携的、快速的、无标记的唾液葡萄糖检测。与传统的酶-纳米酶级联不同，我们提出的平台采用了无指示剂设计，消除了对不稳定外部显色剂的需求，简单的单锅静态合成有效保留了酶活性，并具有内置的双信号自校准机制。这些属性显著提高了操作简单性和检测准确性，相比传统的单信号检测方法。这种简单且廉价的凝胶平台实现了显著的准确性和易用性，证明了所提出的“微管实验室”是一种有前景的非侵入性生物传感方法。

部分摘录

GOX的荧光处理和GOX-MnO₂纳米片的合成

将300?mg的GOX溶解在10?ml的超纯水中。将GOX溶液容器放入干净的烧杯中，然后倒入纯水，使其不超过GOX溶液的表面。将烧杯放入微波炉中解冻（约30-40?°C）270?秒，然后冷却至室温。此时，在紫外光照射下可以看到黄绿色荧光。

使用GOX作为稳定剂和反应模板，通过生物矿化合成MnO₂纳米片。200?μL MnCl₂·4H₂

GOX-MnO₂的特性和催化性质

先前的研究表明，葡萄糖氧化酶在480-580?nm范围内表现出较弱的内在荧光特性（Ramanavicius等人，2012）。我们发现，经过微波处理的GOX可以产生显著的荧光信号，最佳激发和发射波长分别为443?nm和523?nm（图1C）。这些峰对应于FAD辅因子的isoalloxazine环的电子跃迁，具体对应于S₀-S₁跃迁（443?nm）

结论

总之，我们开发了一种使用GOX模板MnO₂纳米片的双模式葡萄糖传感器。我们的系统有三个显著优势：它利用了MnO₂和GOX的内在光学特性，消除了不稳定的外部底物；合成采用了温和的单锅静态生物矿化策略，有效保留了酶活性；它具有内置的双信号功能，能够相互验证结果，从而显著提高检测准确性和稳健性。

CRediT作者贡献声明

赵迪：概念构思、数据管理、正式分析、研究、方法论、验证、初稿撰写、审阅与编辑。唐欣：概念构思、数据管理、软件、验证、撰写、审阅与编辑。林毅伟：数据管理、软件、撰写、审阅与编辑。薛莲：研究、方法论、撰写、审阅与编辑。张毅伟：方法论、撰写、审阅与编辑。陈鹏：正式分析、可视化、撰写、审阅与

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者衷心感谢中国国家重点研发计划（2023YFF1205002 和 中国国家自然科学基金（22074047、32171248、以及 12102142）的支持。