光电传感新突破：实时葡萄糖检测薄膜助力健康监测

在现代医疗健康监测领域，葡萄糖检测对于糖尿病管理及其他代谢性疾病的研究至关重要。传统检测方法往往依赖于繁琐的采血流程与大型设备，不仅给患者带来不便，也限制了实时监测的可行性。近期，一项发表在《Small》期刊上的研究，题为“An Optoelectronic Sensing Real-Time Glucose Detection Film Using Photonic Crystal Enhanced Rare Earth Fluorescence and Additive Manufacturing”，为我们带来了新的解决方案。

一、研究背景

葡萄糖作为人体重要的能量来源，其浓度水平直接反映了人体的代谢状态与健康状况。实时、准确地检测葡萄糖浓度，对于糖尿病等慢性疾病的管理具有重要意义。然而，现有的葡萄糖检测方法存在诸多局限性，如检测速度慢、灵敏度低、便携性差等。针对这些问题，研究者们一直在探索更为高效、便捷的检测技术。

二、创新检测方法

本研究提出了一种基于稀土上转换纳米颗粒（UCNP）的新型检测方法。通过将NaYF₄:Yb,Tm@NaYF₄纳米颗粒作为核心，表面修饰MnO₂纳米片，制备出一种具有颜色和荧光双响应的UCNP复合材料。这种复合材料能够在不同条件下检测葡萄糖浓度，展现出对环境干扰的强抵抗力、化学稳定性和准确性。

1. 纳米材料的选择与制备

研究中选用了NaYF₄:Yb,Tm@NaYF₄作为核心材料，通过高温热解法合成。这种纳米颗粒在可见光范围内发出蓝光荧光，且荧光强度可通过MnO₂纳米片的修饰进行调控。实验结果显示，不同合成方法制备的UCNP在荧光增强因子上存在显著差异，高温热解法合成的UCNP荧光增强效果最佳。

2. 荧光与颜色双响应机制

MnO₂纳米片修饰的UCNP在遇到H₂O₂时，会发生氧化还原反应，导致MnO₂从纳米颗粒表面脱离，荧光逐渐恢复。这一特性使得复合材料能够通过荧光强度的变化来检测H₂O₂或葡萄糖浓度。同时，复合材料的颜色变化与H₂O₂浓度呈线性关系，为颜色检测提供了可能。

3. 光子晶体增强荧光检测

为了进一步提高检测灵敏度，研究者开发了一种光子晶体（PCs）-PDMS阵列。该阵列能够特异性反射蓝光，同时允许其他颜色的光通过，有效减少了背景信号干扰。实验结果表明，该阵列显著提高了检测灵敏度，线性范围拓宽至20–800 μm。

三、实验结果与讨论

1. 荧光强度与葡萄糖浓度的关系

实验中，随着葡萄糖浓度的增加，MnO₂修饰的UCNP荧光强度逐渐恢复。在0–800 μm的葡萄糖浓度范围内，荧光强度与葡萄糖浓度呈线性关系，检测限为1.2 μm。这一结果表明，该复合材料能够实现对葡萄糖浓度的高灵敏度检测。

2. 颜色变化与葡萄糖浓度的关系

通过颜色检测方法，复合材料在不同葡萄糖浓度下表现出明显颜色变化。从黄色到白色的变化与葡萄糖浓度呈线性关系，检测限为1.69 μm。这一特性使得该材料在便携式检测设备中具有潜在应用价值。

3. 便携式检测设备的设计

为提高检测平台的便携性，研究者设计了一种便携式荧光强度检测设备。该设备基于STC89C52单片机，包含光电传感器、模数转换器、数字显示和控制系统。实验结果表明，该设备能够有效区分不同浓度的UCNP溶液，为实际应用提供了便利。

四、与电化学方法的比较

1. 电化学检测方法

作为一种传统的葡萄糖检测方法，电化学检测具有高灵敏度和宽检测范围的特点。实验中，Au/Ni MOF电极在0.005–3.580 mm的葡萄糖浓度范围内表现出良好的电化学响应，检测限为0.33 μm。

2. 方法比较

尽管电化学方法具有优异的检测性能，但本研究提出的基于荧光分析和颜色检测的双响应平台在成本、操作简便性和便携性方面具有显著优势。同时，该平台在检测限和线性范围上也表现出色，为葡萄糖检测提供了新的选择。

五、未来展望

本研究通过创新的纳米材料设计和光子晶体技术，显著提高了葡萄糖检测的灵敏度和便携性。未来，研究者计划进一步探索选择性激光熔化（SLM）技术在增强UCNP荧光方面的应用，以实现更高的检测灵敏度。此外，开发灵活可穿戴的汗液葡萄糖检测膜也是未来的研究方向之一。

综上所述，这项研究不仅为葡萄糖检测提供了新的技术手段，也为未来便携式、实时健康监测设备的发展奠定了基础。

参考文献：https://doi.org/10.1002/smll.202409725

图1.葡萄糖检测平台制作及实际检测过程的机制图

图2. MnO₂修饰的UCNP对H₂O₂和葡萄糖的响应

图3. SLM技术打印UCNP表面微结构及检测平台基底结构研究