新型3D介孔生物傳感膜提高葡萄糖生物傳感區(qū)域面積

葡萄糖檢測和實時連續(xù)監(jiān)測，對于糖尿病等疾病的診斷和預(yù)防以及制糖和發(fā)酵過程中的可控生產(chǎn)至關(guān)重要。在這一過程中，以葡萄糖氧化酶（Gox）、普魯士藍（PB）、電極為核心的葡萄糖生物傳感設(shè)備頗具前景。近日，中國科學院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室開發(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，提高了葡萄糖生物傳感設(shè)備中傳感區(qū)域面積、PB利用率以及底物對傳感區(qū)域可及性，具有優(yōu)異的靈敏度和長期穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進功能材料》（Advanced?Functional Materials）上。

由于PB形成速率快且極易團聚，使其在電極上的合成和分布難以控制，導致PB高密度無序堆積，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)，同時傳感靈敏度低且穩(wěn)定性差。

針對上述問題，萬印華團隊以單寧酸-3-氨丙基三乙氧基硅烷-鐵（TA-APTES-Fe）三元涂層作為結(jié)構(gòu)導向劑，調(diào)控PB的固定化位置和組裝速率，分別通過配位和共價作用將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氧化氫（H2O2）對傳感區(qū)域的可及性。同時，這一結(jié)構(gòu)拉近了級聯(lián)傳感單元間的距離，進而縮短H2O2到達傳感界面的擴散距離，有效抑制H2O2向主體溶液中的擴散，降低其無效耗散。實驗數(shù)據(jù)表明，在流通模式下，新型傳感膜的靈敏度達31.2 μA/mM，可穩(wěn)定連續(xù)監(jiān)測蔗汁中的葡萄糖濃度長達8小時無電流響應(yīng)漂移。

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

針對生物傳感器污染問題，該團隊基于PB的pH響應(yīng)多酶活性，提出了利用GOx-PB級聯(lián)反應(yīng)依次產(chǎn)生微氣泡和芬頓氧化來模擬“疏松-降解”膜清潔過程。原位產(chǎn)生的微氣泡帶來的剪切作用有助于疏松膜表面污染層，增加自由基對污染物的可及性，實現(xiàn)被污染的生物傳感膜的自清潔。

圖2 生物傳感膜“疏松-降解自清潔機制”示意圖

審核編輯：劉清