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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、普魯士藍、電極為核心的葡萄糖生物傳感設備極具前景。

近日，中國科學院過程工程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)的新型三維介孔生物傳感膜，大幅提高了葡萄糖生物傳感設備中傳感區(qū)域面積、普魯士藍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)工作發(fā)表于AdvancedFunctional Materials。

由于普魯士藍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，導致普魯士藍高密度無序堆積，形成傳感區(qū)域面積小、普魯士藍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。

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。（研究團隊供圖）

針對上述問題，過程工程所生化工程國家重點實驗室研究員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)控普魯士藍的固定化位置和組裝速率，分別通過配位和共價作用將普魯士藍和葡萄糖氧化酶相鄰固定在三維介孔碳納米管（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)域從二維平面擴展到三維介孔膜電極中，從而提高了普魯士藍的利用率以及葡萄糖和過氧化氫對傳感區(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，從而縮短過氧化氫到達傳感界面的擴散距離，有效抑制過氧化氫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高，可穩(wěn)定連續(xù)監(jiān)測蔗汁中的葡萄糖濃度長達8小時無電流響應漂移。

針對生物傳感器污染問題，研究團隊基于普魯士藍的pH響應多酶活性，提出利用葡萄糖氧化酶-普魯士藍級聯(lián)反應依次產(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，進而增加自由基對污染物的可及性，從而實現(xiàn)被污染的生物傳感膜的自清潔。

過程工程所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。該工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金的支持。

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