ACS Sensors 新研究：单分散 PAA 水凝胶液滴 + APBA 非酶传感，测直径比即可定量血糖

葡萄糖检测长期依赖葡萄糖氧化酶（GOx）的电化学方法，但酶的稳定性问题和复杂的仪器需求限制了其便携应用。硼酸类非酶葡萄糖传感器通过硼酸与葡萄糖顺式二醇的可逆共价结合实现检测，是颇具潜力的替代方案。韩国研究者近期在 ACS Sensors 发表的工作，用一种巧妙的"孵化"策略——以均匀尺寸的固态液晶壳为模板，在无需复杂微流控设备的条件下制备出单分散聚丙烯酸（PAA）水凝胶液滴，并分别固定 3-氨基苯硼酸（APBA）和葡萄糖氧化酶（GOx）构建了两种葡萄糖传感器。对比发现，非酶 APBA 方案在检测便利性和性能上更胜一筹。

图1｜玻璃毛细管微流控装置生成 W/O/W 双乳液（左），以及内相、中间相、外相的化学组成（右）。中间相为反应性液晶混合物，UV 固化后得到固态液晶壳模板。

01 从液晶壳到水凝胶液滴："孵化"法制备单分散 PAA 微球

这项工作最具巧思的地方在于制备方式。作者先用嵌套玻璃毛细管微流控芯片生成水/油/水（W/O/W）双乳液，中间油相为反应性液晶混合物（RM105/RM257 反应性介晶 + 5CB 液晶致孔剂 + 光引发剂）。UV 固化后，用丙酮提取出 5CB，得到具有均匀通路孔结构的固态液晶（LCsolid）壳模板。这些壳模板可干燥储存、按需取用。

关键的"孵化"步骤如下：将丙烯酸（AA）单体混合物（含 TPGDA 交联剂和光引发剂）倒入装有干燥液晶壳的玻璃小瓶中，渗透超过 4 小时，使 AA 通过壳的孔道进入内部；随后用大量水置换——水是液晶壳的不良溶剂，诱导孔道关闭，将 AA 单体封闭在壳内；UV 固化后，将壳浸入 pH 12 缓冲液，PAA 网络因羧基去质子化、静电排斥而剧烈溶胀，自发从液晶壳中"孵化"出来；超声 3 小时促进壳破裂，再用甲苯/水两相分离纯化，得到纯净的 PAA 水凝胶液滴。

所得 PAA 液滴尺寸高度均一，变异系数 CV 仅 0.32%。pH 响应性显著：pH 从 12 降到 2 时，液滴体积收缩 8.7 倍，且 10 次循环后仍保持可逆的溶胀-收缩行为。液晶壳模板可预先通过微流控批量制备并干燥储存，后续 PAA 液滴的孵化仅需渗透、UV 固化和 pH 调节等普通实验室操作即可完成，无需再次使用微流控设备—— 这对缺乏专业仪器的实验室尤为友好。

图2｜(a) 液晶壳渗透 AA 前后、含 PAA 液滴的壳、以及 PAA 液滴从壳中孵化出来的光学图像；(b) 孵化后的 PAA 液滴在不同 pH 下的尺寸变化。标尺 200 µm。

02 两种传感路径：酶法 GOx vs 非酶 APBA

在 PAA 液滴基础上，作者构建了两种葡萄糖传感器，对应两种固定策略和两种传感机制。

第一种是酶法路径（PAAGOx/Na）：PAA 液滴经 EDC/NHS 活化后与 GOx 偶联，再用 NaOH 处理将残余羧基转化为COO⁻Na⁺ 盐，增大初始体积。传感机制是经典的酶促反应——GOx 催化葡萄糖氧化为葡萄糖酸，使液滴内部 pH 下降，PAA 网络因羧基质子化、氢键增强而收缩。

第二种是非酶路径（PAAAPBA/Na）：PAA 液滴先在 pH 9 缓冲液中溶胀，再通过一锅法 EDC 偶联将 APBA 固定到网络上，最后用 NaCl 处理。传感机制基于 APBA 与葡萄糖顺式二醇的可逆硼酸酯结合：在 pH 9 下 APBA 主要为四面体硼酸根阴离子形式，静电排斥使相邻 APBA 间距增大，难以形成桥联结构；NaCl 的加入屏蔽静电排斥、缩短 APBA 间距，促进葡萄糖与两个 APBA 形成 1:2 双齿硼酸酯交联，诱导液滴收缩。

图3｜(a) 两种传感器的固定流程与葡萄糖传感机制示意图：(i) PAAGOx/Na 经 EDC/NHS 固定 GOx、NaOH 处理；(ii) PAAAPBA/Na 经一锅法 EDC 固定 APBA、NaCl 处理。(b) PAAGOx/Na 固定过程中直径比随时间的变化。(c) PAAAPBA 固定及 NaCl 处理过程中直径比随时间的变化。

03 谁更优？测直径比 vs 测收缩速率

两种传感器的响应模式截然不同，这直接决定了使用便利性的差异。

PAAGOx/Na 液滴在不同葡萄糖浓度下都会持续收缩，最终达到几乎相同的饱和尺寸（~0.46），与葡萄糖浓度无关；但收缩速率强烈依赖葡萄糖浓度——浓度越高，收缩越快。因此，PAAGOx/Na 需要通过测量收缩速率（达到半收缩尺寸的时间 t₁/₂）来定量葡萄糖，这需要连续的动态监测和录像记录。其检测限为 0.733 mM，线性范围 1–10 mM。

PAAAPBA/Na 液滴则在 15 分钟内快速收缩到饱和尺寸，且饱和直径比（drs）强烈依赖葡萄糖浓度——浓度越高，收缩越显著。因此，PAAAPBA/Na 只需测量最终的直径比即可定量葡萄糖，无需连续监测。其检测限为 0.624 mM，线性范围 1–12 mM，两项指标均优于 PAAGOx/Na。更重要的是，测一个静态的直径比远比测连续收缩速率方便、准确——这是非酶方案的核心优势。

图4｜(a) PAAGOx/Na 液滴在不同葡萄糖浓度下直径比随时间的变化；(b) 半收缩时间 t₁/₂ 随葡萄糖浓度的变化（插图为对数坐标）；(c) PAAAPBA/Na 液滴在不同葡萄糖浓度下直径比随时间的变化；(d) 饱和直径比 drs 随葡萄糖浓度的校准曲线。

04 选择性、血清检测与稳定性

非酶传感器常面临选择性挑战，因为硼酸可与多种含顺式二醇的分子结合。 作者系统测试了 9 种代表性干扰物（浓度多为 5.6 mM，血红蛋白为 1 mg/mL，均远高于生理水平），结果令人满意：葡萄糖唯一诱导液滴收缩；半乳糖、果糖、乳糖等结构相似的糖类反而诱导溶胀（因为它们主要形成 1:1 单齿硼酸酯，通过 Donnan 效应引入负电荷导致溶胀，而非 1:2 交联收缩）；尿素、抗坏血酸、血红蛋白、乳酸等则无明显响应。这种"葡萄糖收缩、其他糖溶胀"的鲜明对比，赋予了 PAAAPBA/Na 优异的选择性。

在实际人血清样品中，PAAAPBA/Na 同样表现可靠。低血糖（1.68 mM）、正常血糖（3.92 mM）、高血糖（9.47 mM）三种血清样品的测量值分别为 1.50、3.68、9.18 mM，准确度达 89.4%、93.8%、96.9%，与水溶液中的校准曲线趋势一致。

稳定性方面，PAAAPBA/Na 可通过 pH 调节实现葡萄糖的可逆结合与解离（pH 9 活化→葡萄糖检测→pH 7 失活），10 次循环后性能无明显衰减；制备后室温储存 30 天，响应行为仍保持稳定。这些结果表明该传感器具备重复使用和长期储存的潜力。

图5｜(a) PAAAPBA/Na 液滴在各种干扰物中的饱和直径比（葡萄糖唯一诱导收缩）；(b) 低、正常、高血糖人血清样品中直径比随时间的变化；(c) 可逆葡萄糖结合/解离的 pH 调节机制示意图；(d) 10 次循环测试（新鲜制备 vs 30 天储存后）。

结 语

这项工作的亮点在于把"液晶壳模板孵化"这一低成本策略引入聚电解质生物传感器的制备——微流控只用于第一步制备可复用的液晶壳模板，后续的 PAA 液滴制备和传感器构建均可在普通实验室完成，无需复杂设备。在传感性能上，非酶 APBA 方案以"测静态直径比"的便捷模式超越了酶法 GOx 的"测动态收缩速率"，同时在检测限、线性范围、选择性和稳定性上表现优异，并在真实人血清中得到验证。未来可通过调控 PAA 交联密度和 APBA 固定量进一步优化灵敏度，也可拓展到其他含二醇生物分子的检测。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acssensors.6c00842

(本文仅供参考学习及传递微流控研究成果，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除)