“一滴血5分钟”！印度团队发布革命性电容芯片，2型糖尿病筛查告别化学试剂

糖尿病现状与检测需求

糖尿病已成为全球高发的代谢性疾病，目前全球有超过5亿成年人受其影响。据国际糖尿病联合会预测，到2030年这一数字将增至6.43亿，2045年更是会达到7.83亿，增幅高达46%。其中，2型糖尿病占所有糖尿病病例的90%以上。

传统的糖尿病检测方法多依赖实验室静脉血检测或电化学传感器，前者需在规定时间内完成，后者依赖生物参数反应，而这项新研究则另辟蹊径，通过分析血液中红细胞的电学特性来实现检测。

创新方法：从红细胞电学特性找差异

研究团队发现，血糖水平升高会改变红细胞的流变学和电学特性，如黏度、体积、介电常数、电导率等，这些变化会导致红细胞的生物阻抗特征发生显著改变，而这正是区分健康与糖尿病红细胞的关键。

研究中，团队测量了不同浓度的健康和糖尿病红细胞在50kHz至200kHz频率范围内的电学参数。结果显示，在200μL磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液中，健康红细胞的复介电常数为65.12，电导率为0.63S/m；而糖尿病红细胞的复介电常数为73.44，电导率为0.68S/m，两者差异明显。

图 1 细胞-介质复合体系的介电常数随细胞浓度的变化

如图1，无论是健康还是糖尿病红细胞，其复介电常数都会随细胞浓度增加而降低。

图 2 正常与糖尿病红细胞在50 kHz–200 kHz频段内复合生物阻抗的标准差对比图

在100%细胞浓度下，糖尿病红细胞的平均生物阻抗为50.3 kΩ，而健康红细胞为56.7 kΩ，阻抗差异在整个测试频率范围内都稳定存在。

值得注意的是，200 kHz频率下的测量结果显示出更高的可靠性。数据表明，该频率下健康与糖尿病红细胞的生物阻抗标准差更小，信号更稳定，能更清晰地反映两者的差异。

关键工具：叉指电极电容传感器

为捕捉这些生物阻抗变化，研究团队采用含40个电容元件的叉指电极（IDE）电容传感器（硅材质，电极面积116 μm×50 μm，间距5 μm），通过COMSOL®软件的有限元法（FEM）模拟传感器性能，验证其对生物阻抗变化的检测能力。

图 3 叉指电极（IDE）电容传感器的布局

该传感器通过测量50 kHz至200 kHz频率范围内的复合生物阻抗，能有效区分健康和糖尿病红细胞。模拟结果证实，这种传感器在2型糖尿病检测中具有良好的效能，其设计参数确保了检测的精准性。

研究亮点

l  无试剂：完全依赖红细胞电学特性变化，无需葡萄糖氧化酶等耗材。

l  微样本：200 μL PBS稀释血即可检测，约为常规生化检测用血量的1/10。

l  宽频扫描：在50 kHz–200 kHz区间内捕捉红细胞膜电容变化，200 kHz下信号最稳定。

l  易集成：40对叉指电极（IDE）阵列可一次性制备在硅基芯片上，兼容CMOS工艺。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.sintl.2024.100300