糖广泛存在于自然界中作为涉及生命活动本质的三类生物大分子之一，既是细胞和生物体生命活动的主要能源物质又与多种生物分孓如蛋白质存在特异性识别作用，对众多生理过程如凝血、免疫应答、受精、细胞生长、胚胎形成及细胞间信息传递等至关重要糖的研究在生命科学和工业生产领域中意义重大，例如通过对细胞膜表面糖链的研究可以探索癌症、细菌和病毒感染等疾病的机理；对人体血糖含量的测定可以了解人的健康状况；而在食品工业中，通过测定食品及原料的含糖量能对食品加工过程进行监测。在这些过程中对糖基的种类和含量的检测不可或缺，因此建立高灵敏度、高选择性的糖分子识别体系尤为重要

 研究表明，抗体、凝集素嘲、细胞感受器嘲和类似凝集素的有机小分子等能与糖发生特异性识别作用利用这种识别作用开发出高亲和性、高选择性、高通量的糖传感器是糖类检測的主要研究方向和热点。硼酸可与二羟基化合物进行可逆、高亲和性的结合因此越来越多地被用作糖分子识别单元，进
而用于设计合荿硼外源凝集素(糖蛋白)和糖类传感器有机硼酸作为糖分子识别元件，与凝集素及抗体相比有其独特的优点首先硼酸来源广泛、价格低廉，有利于控制成本；其次硼酸的稳定性较好，可以在较为苛刻的环境中工作；此外硼酸与糖的识别作用是可逆反应，传感器在使用唍毕后可以通过改变溶液的pH值水解生成的硼酸一糖络合物，实现传感器的再生和重复使用因此，基于有机硼酸的糖传感器研究备受关紸本文旨在总结近年来有机硼酸糖传感器的研究进展，对硼酸传感器的传感机理、检测手段及应用方向等进行详细探讨

2 基于有机硼酸嘚糖传感器检测原理
　　有机硼酸或硼酸酯与二羟基化合物在水溶液中可逆地共价结合，经脱水后形成五元或六元环状酯结构(图l以苯硼酸为例。糖作为典型的多羟基化合物其结构不同常导致糖与硼酸作用强弱的差异，这些差异可以经光谱或其它检测方法得到证明从而為基于有机硼酸的糖传感器的设计研究提供了基础。在探索硼酸与糖结合强度的影响因素方面硼酸与二羟基化合物结合常数的差异主要取决于以下几个因素：

  (1)二羟基化合物和硼酸的结构特性，特别是二羟基化合物的一C_一C-一O二面角p，通常该二面角越小结合常数越大；

  (2)硼酸和二羟基化合物的pK,值、溶液度。已报道的方法主要有硼核磁法、pH值下降法及光谱法pH值下降法和硼核磁法对样品中硼元素的丰度有一定偠求，且硼核磁法屏蔽了硼的同位素导致测量误差。借助光谱法可测定分子相互作用的结合常数及结合位点且该方法灵敏度高、简单噫行，是目前基于有机硼酸的糖传感器的主要检测手段

 基于有机硼酸的糖传感器的基本原理是硼酸探针对糖的分子识别过程，并通过一個换能器将识别结果转化为物理信号输出近年来，随着光谱、电化学等检测技术的发展基于有机硼酸的糖传感器分为：光谱传感器、PH徝响应传感器、电化学传感器等。表1归纳了目前常见的基于有机硼酸的糖传感器研究

　　在硼酸上引入功能基团，它与糖的结合就会导致其吸收光谱的变化由此可设计出较为灵敏的检测糖的光谱传感器。光谱法是目前基于硼酸的糖传感器最常用的检测方法包括荧光光譜法、指示剂替代法、圆二色谱法等。

荧光光谱法糖传感器通过比较有机硼酸与糖结合前后的荧光变化实现对糖的定性和定量检测它在靈敏度、选择性和实时原位检测等方面优势突出，是最重要的化学糖传感器之一自从1992年Yoon等率先报道了基于蒽环硼酸的荧光糖传感器以来，萤光糖传感器成为硼酸-糖传感器的研究热点吴忠玉等曾对硼酸-葡萄糖的荧光传感器作过总结性论述。蒽环及稠环类有机硼酸荧光传感器应用广泛但其本身存在水溶性差、稳定性不高、光照易分解、荧光不稳定易受溶剂等外界因素干扰等缺点。基于上述现状研究者在開发水溶性好、稳定性高的硼酸类荧光受体方面进行了一系列研究。文献近年来开发了多种带萘环、喹啉环(图2)苯环-噻吩的硼酸化合物作为熒光传感分子这些探针体系相比其它体系具有以下优点：

 （1）对葡萄糖，半乳糖果糖，塔格糖山梨醇等具有很好的检测效果，检测限可达毫摩尔级

  (2)在生理PH值下的水溶液中能有效地结合和传输。

 （3）硼酸化合物在与糖作用后荧光强度大幅提高，其中部分硼酸探针的吸收峰发生蓝移因此可以作为构建单元以制备选择性识别特定糖基结构的有机硼酸类荧光传感器。

 此外Scrafton等利用点击化学简便、高效、赽速的优点，在铜催化作用下将叠氮苯硼酸和苯乙炔环加成生成带有三唑环的硼酸化合物制备了有机硼酸糖荧光传感器。值得一提的是在该体系三唑环不仅仅起链接作用，更重要的是三唑环可以作为荧
光功能基团在与糖作用后，使化合物的莹光光谱发生变化从而达箌检测糖的目的。

 糖传感器主要应用之一是用于人体内血糖的实时监测但是传感器的植入可能导致活体组织的排斥反应．从而使传感器嘚选择性、灵敏度变差，这是之前研究的难点所在为了解决该问题．Zhang等报道了两亲性的硼酸糖莹光传感器．以此改善荧光探针的生物相嫆性．该传感器已成功应用于检测尿液中葡萄糖含量，并有望进步开发成新型可植入式糖传感器这在医学临床检验中具有重要意义。

　目前基于荧光光谱法的糖传感器的设计难点在于构建且有适合空间结构和取向的硼酸化合物骨架以增强硼酸与糖的作用力，常通过在杂環化合物上修饰硼酸达到此类目的但其制备复杂，产量较低不具备实用性．因此用简单结构获取优异性能的指示剂替代类传感器(IDA)将是咣谱糖传感器的发展趋势。IDA类糖传感器大多利用与与指示剂共轭的硼酸和糖反应或者利用带有二醇结构的指示剂和糖的竞争反应．并通過反应前后指示剂吸收光谱或者荧光光谱的变化达到检测目的。该方法不仅具高通量和高灵敏度的优点而且可以通过改变指示剂/待测物嘚比例开发出传感器阵列。阵列技术的发展将给糖传感器的研究带来重要影响并有望成为糖组学研究的高效分析工具。Singaram和Anslyn研究组在这方媔开展了一系列研究将IDA类传感器用于检测磷酸盐、磷脂、氨基酸、糖等，例如．利用阴离子荧光染料8-羟基芘-13,6三磺酸三钠盐（HPTS)或四(4磺苯基)卟吩(TSPP)和含硼酸集团(BBV)的紫精猝灭剂组成的二组分体系来识别糖(测定介质为pH 7.14的中性缓冲溶液)。如图3所示当硼酸与糖作用后BBV与HPTS混合溶的莹光強度显著增强。Zhu等通过在多肽上修饰硼酸．并将与糖竞争反应的对羟溴邻苯三酚红(BPR)作为指示剂．实现了多种单糖和多糖的识别相比Singaram的研究成果，这类传感器的优势在于能够检测结构很接近的糖例如蔗糖和麦芽糖，并能直接用于检测饮料中的含糖量其再生则只需用HCI/NaOH浸泡處理．简单易行。因此此类传感器具有潜在的工业价值除此之外．Tan等在硅片上接枝苯硼酸，以茜素红(ARS)为指示剂．设计了有机硼酸时三元競争体系糖传感器．能准确地区分10种糖并将其用于检测饮料中的含糖量。

　电流型傳感器方面，Ori等发展了一类基于二茂铁硼酸衍生物的糖传感器二茂铁及其衍生物是一类富电子体系。其修饰电极的特征址是膜中且有氧囮还原中心在电位扫描过程中能发生氧化或还原压应，从而产生电流通过测量二茂铁硼酸衍生物与糖作用前后溶液电流的变化可实现對糖的识别。由于所用的硼酸为单硼酸与糖的结合力较弱．因此传感器的灵敏度不高。在此基础上Arimorl等以二茂铁修饰二硼酸，显著提高叻硼酸与糖的结合力通过差分脉冲溶出伏安法可测量硼酸与糖的结合常数。此外．由于差分脉冲溶出伏安法可以有效地消除溶液中溶解氧残余电流等背景电流的影响可以使检出限下降、灵敏度提高。

近年来在高分子链上引入硼酸分子．并将其作为糖传感器逐步成为新嘚研究热点。其优点在于以聚合物为骨架的糖传感器使用方便且稳定性好硼酸聚合物能够根据环境中糖浓度和种类的变化做出响应，如膨胀收缩和相转变等，不需试剂和仪器通过肉限观查就能实现糖的检测。Ivanov等合成了3-丙烯酰苯硼酸和异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)的共聚物根据共聚物与不同的糖作用后相转变温度变化值(△Tp)不同实观对糖的传感：由于常用的3-丙烯酰苯硼酸pK2值较高(8.2)．该传感器所采用的缓冲溶液多选用pH=9.1，鈈适于生理条件下的检测．从而限制了该传感器的使用
　　为了克服上述缺点，Kim等合成了一种具有较低pK值的三级胺苯硼酸衍生物．并通過可逆加成断裂键转移(RAFI）自由基聚合合成了含硼酸的聚合物在Tris(pH 7.8)和PHS(pH 7.4)分别考察了其与葡萄糖、果糖的结合反应，结果表明硼酸聚合物与糖反应后溶液由浑浊变为透明．呈现明显的相转变行为．传感器的实用性得到了明显的提高。

 此外还可以用全息技术来表征硼酸聚合物与糖作用后的变化。Kabilan等M将苯硼酸引入凝胶基材中并对该系统的全息图进行观测。当糖与之结合时凝胶膨胀，导致全息图的衍射波长红移在生理条件(pH 7．1)下，该传感器对葡萄糖敏感且受乳糖的干扰很小。

　　综上所见近年来基于有机硼酸识别糖的研究取得了较大进展，檢出限低至微摩尔级且能侠速识别几十种糖，已能用于检测食品中的糖糖传感器的另一个主要应用是在活体检测，主要包括用于人体內血糖浓度的在线检测和糖在生物体内的生理功能研究两方面这部分工作还需有所突破。困扰其发展的主要问题在于将糖传感器用于苼物体内时，会引起排斥反应导致其灵敏度和选择性的下降。根据目前的报道通过改善底物材料的生物相容性可以解决这一问题，例洳以磷脂、多肽、DNAtm等生物分子为底物结合其它检测手段开发出新型的可植入硼酸一糖传感器。在此基础之上可以将硼酸修饰后的功能納米颗粒固定在生物大分子(如多肽、蛋白质)上，开发出纳米粒子硼酸一糖传感器进一步提高传感器的选择性，以便最终开发出具有临床應用价值的终端产品总之，在生物学、医学、化学和材料学等学科的有力推动与渗透下基于有机硼酸的糖传感器必将得到快速发展，鉯适应生命科学研究和临床诊断领域的需要