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葡萄糖檢測(cè)和實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)對(duì)于糖尿病等疾病的診斷和預(yù)防，以及制糖和發(fā)酵過(guò)程中的可控生產(chǎn)至關(guān)重要。在這一過(guò)程中，以葡萄糖氧化酶（Gox）、普魯士藍(lán)（PB）、電極為核心的葡萄糖生物傳感設(shè)備極具前景。近日，過(guò)程工程所生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出具有鄰域納米結(jié)構(gòu)的新型三維（3D）介孔生物傳感膜，大幅提高了葡萄糖生物傳感設(shè)備中傳感區(qū)域面積、PB利用率以及底物對(duì)傳感區(qū)域可及性，具有優(yōu)異的靈敏度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。相關(guān)工作發(fā)表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202303313)。

由于PB形成速率快且極易團(tuán)聚，使其在電極上的合成和分布難以控制，導(dǎo)致PB高密度無(wú)序堆積，形成傳感區(qū)域面積小、PB利用率低且空間位阻大的逐層分布傳感結(jié)構(gòu)，傳感靈敏度低且穩(wěn)定性差。

(資料圖)

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圖1 受細(xì)胞膜上電子傳遞鏈結(jié)構(gòu)啟發(fā)，開(kāi)發(fā)具有鄰域納米結(jié)構(gòu)的三維介孔生物傳感膜示意圖。

針對(duì)上述問(wèn)題，過(guò)程工程所生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室萬(wàn)印華研究員團(tuán)隊(duì)以單寧酸-3-氨丙基三乙氧基硅烷-鐵（TA-APTES-Fe）三元涂層作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，調(diào)控PB的固定化位置和組裝速率，分別通過(guò)配位和共價(jià)作用將PB和GOx相鄰固定在3D介孔碳納米管（CNTs）膜電極中，制備出具有鄰域納米結(jié)構(gòu)的介孔生物傳感膜。與逐層縱向分布的生物傳感器相比，新型傳感膜將傳感區(qū)域從2D平面擴(kuò)展到3D介孔膜電極中，從而提高了PB的利用率以及葡萄糖和過(guò)氧化氫（H2O2）對(duì)傳感區(qū)域的可及性。同時(shí)，這一結(jié)構(gòu)拉近了級(jí)聯(lián)傳感單元間的距離，從而縮短H2O2到達(dá)傳感界面的擴(kuò)散距離，有效抑制H2O2向主體溶液中的擴(kuò)散，降低其無(wú)效耗散。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在流通模式下，新型傳感膜的靈敏度高達(dá)31.2 μA mM-1，可穩(wěn)定連續(xù)監(jiān)測(cè)蔗汁中的葡萄糖濃度長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)無(wú)電流響應(yīng)漂移。

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圖2 生物傳感膜“疏松-降解自清潔機(jī)制”示意圖。

針對(duì)生物傳感器污染問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)基于PB的pH響應(yīng)多酶活性，提出利用GOx-PB級(jí)聯(lián)反應(yīng)依次產(chǎn)生微氣泡和芬頓氧化來(lái)模擬“疏松-降解”膜清潔過(guò)程，原位產(chǎn)生的微氣泡帶來(lái)的剪切作用有助于疏松膜表面污染層，進(jìn)而增加自由基對(duì)污染物的可及性，從而實(shí)現(xiàn)被污染的生物傳感膜的自清潔。

過(guò)程工程所2022屆碩士畢業(yè)生宋思青為論文第一作者，助理研究員張昊及研究員羅建泉為共同通訊作者。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（No.2021YFC2102802）和國(guó)家自然科學(xué)基金（No.22208350）的支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303313

（綠色生化過(guò)程研究部）