传统地，测定中的葡萄糖选择性是由天然存在的蛋白质提供的，例如结合葡萄糖的伴刀豆球蛋白A(ConA)或葡萄糖氧化酶(GoX)。毫不奇怪，掺入这些蛋白质的葡萄糖反应性水凝胶也是众所周知的，它利用水凝胶的生物相容性来维持这些蛋白质的天然活性。Miyata等人设计的一种葡萄糖反应性水凝胶。包含共价接枝到聚甲基丙烯酸葡萄糖基氧基乙基酯(polyGEMA)聚合物上的ConA，该聚合物包含多个侧链葡萄糖基单元(图7A)。由于每个ConA单元和四个葡萄糖基单元之间的结合，凝胶网络内发生了广泛的交联。在1 wt%葡萄糖溶液的存在下，额外的葡萄糖与ConA单元结合，从polyGEMA主链上释放悬垂的葡糖基单元，从而降低了交联的程度。这导致水凝胶膨胀。像ConA一样，GoX也可以共价接枝到聚合物水凝胶上。在Lee的含有若丹明B侧链和荧光素单元的聚(丙烯酰胺/丙烯酸酯)水凝胶中(图7Bi)，随着凝胶颜色和荧光的变化发生了葡萄糖反应。在添加葡萄糖之前，水凝胶在中性pH值下显示弱的绿色(518 nm)和红色(598 nm)荧光。当添加葡萄糖时，接枝的GoX将葡萄糖氧化为d-葡萄糖酸1,5-内酯，然后将其水解为葡萄糖酸，从而降低了凝胶介质的pH。由于荧光素内酯环的闭环，这降低了绿色荧光的强度，而若丹明B的内酰胺单元的开环发生，则增强了598 nm处的红色荧光，从而导致凝胶的整体荧光从绿色变为橙色。荧光的比例变化(I598 / I518)(图7B(ii))可用于定量葡萄糖浓度，LOD为0.87 mM。由于GoX对葡萄糖的选择性，未观察到其他单糖(例如半乳糖，甘露糖和果糖)以及NaCl，KCl和CaCl2电解质的响应。在这两个例子中，蛋白质的共价接枝阻止了蛋白质从凝胶中浸出，从而确保了对葡萄糖的可逆反应。(参考:J. Biomater. Sci., Polym. Ed. 2004, 15, 1085– 1098,)(Polym. Chem. 2016, 7, 6655– 6661,)

图7.(A)在葡萄糖存在下宫田的ConA接枝水凝胶溶胀。通过(ii)荧光的比例变化(I598/I518)来检测和量化葡萄糖浓度。

尽管ConA和GoX具有出色的葡萄糖选择性，但是蛋白质变性经常会限制它们在传感器中的长期使用。为了克服这种缺陷，近年来，诸如苯硼酸(PBA)之类的全合成受体变得非常流行。硼酸可以与含有顺式二醇基团的单糖结合形成硼酸酯，如图8所示，该硼酸酯在水中稳定且可逆。

图8.(A)果糖和葡萄糖的6-元吡喃糖和5-元呋喃糖形式之间的平衡。(B)葡萄糖与含苯基硼酸的水凝胶的结合。(C)松本的水凝胶导管装置，用于皮下葡萄糖触发的胰岛素释放。

过氧化氢(H2O2)

作为生物氧代谢中自然产生的活性氧(ROS)，H2O2是传感应用的重要目标。由于其具有细胞毒性和氧化生物分子(例如DNA，蛋白质)的潜力，越来越多的证据表明H2O2可能是全身氧化应激的重要生物标志物。

可以通过触发凝胶塌陷来检测H2O2。Hamachi和他的同事设计了基于肽的LMWG，该肽含有硼酸芳基甲氧基羰基(BAmoc)，该基团与H2O2发生氧化消除反应(图9A)，以裂解氨基甲酸酯键并引起水凝胶塌陷(Nat. Chem. 2014, 6, 511,)。BAmoc基序也仅具有选择性到H2O2，其他ROS(例如OCl–和O2–)对引起凝胶到溶胶过渡无效。然而，该系统的缺点是需要高浓度的H2O2，相对于BAmoc需要0.5摩尔当量的H2O2。作者通过将信号放大系统整合到这种响应性水凝胶中来克服了这一限制。如图9B所示，每个放大器分子在H2O2存在下进行自消灭，释放出两个肌氨酸分子，这些肌氨酸分子又被肌氨酸氧化酶(SOx)氧化，生成另外两个H2O2分子。当将此H2O2扩增系统并入上述LMWG水凝胶网络中时，H2O2引起的凝胶塌陷的阈值降低了多达5倍。(参考:Nat. Chem. 2014, 6, 511)

图9.(A)H2O2氧化消除含BAmoc的LMWG，导致水凝胶塌陷。(B)使用信号放大系统增强H2O2灵敏度。

最近，Chai及其同事开发了一种创新的导电聚合物水凝胶，可使用电化学发光(ECL)检测从活细胞释放的H2O2。(参考:Anal. Chem. 2018, 90, 8462– 8469)

图10.使用导电PANI-PA水凝胶基质对活细胞释放的H2O2进行电致发光检测和定量。使用的ECL发光体是N-(氨基丁基)-N-(乙基异鲁米诺)(ABEI)。

硫醇

天然存在的硫醇(RSH)在生物学中起着重要的抗氧化作用。谷胱甘肽(GSH)是一种含有半胱氨酸残基的三肽，是动物体内发现的最丰富的生物硫醇，对于维持最佳的生化氧化还原过程至关重要。GSH的抗氧化特性来自其在清除氧气代谢产生的ROS时可逆氧化为GSSG二聚体的能力。因此，GSH与氧化的GSSG的比值是细胞氧化应激和氧化还原环境的指标。对于水凝胶传感器，生物硫醇检测方法是利用其独特的氧化还原特性，亲核性和金属配位能力而变化的主题(图11)。(参考:J. Clin. Med. 2017, 6, 50)