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(資料圖)

葡萄糖檢測和實時連續監測對于糖尿病等疾病的診斷和預防，以及制糖和發酵過程中的可控生產至關重要。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備極具前景。近日，過程工程所生化工程國家重點實驗室開發出具有鄰域納米結構的新型三維（3D）介孔生物傳感膜，大幅提高了葡萄糖生物傳感設備中傳感區域面積、PB利用率以及底物對傳感區域可及性，具有優異的靈敏度和長期穩定性。相關工作發表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202303313)。

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，形成傳感區域面積小、PB利用率低且空間位阻大的逐層分布傳感結構，傳感靈敏度低且穩定性差。

圖1 受細胞膜上電子傳遞鏈結構啟發，開發具有鄰域納米結構的三維介孔生物傳感膜示意圖。

針對上述問題，過程工程所生化工程國家重點實驗室萬印華研究員團隊以單寧酸-3-氨丙基三乙氧基硅烷-鐵（TA-APTES-Fe）三元涂層作為結構導向劑，調控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構的介孔生物傳感膜。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）對傳感區域的可及性。同時，這一結構拉近了級聯傳感單元間的距離，從而縮短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。實驗數據表明，在流通模式下，新型傳感膜的靈敏度高達31.2 μA mM-1，可穩定連續監測蔗汁中的葡萄糖濃度長達8小時無電流響應漂移。

圖2 生物傳感膜“疏松-降解自清潔機制”示意圖。

針對生物傳感器污染問題，研究團隊基于PB的pH響應多酶活性，提出利用GOx-PB級聯反應依次產生微氣泡和芬頓氧化來模擬“疏松-降解”膜清潔過程，原位產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，從而實現被污染的生物傳感膜的自清潔。

過程工程所2022屆碩士畢業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計劃（No.2021YFC2102802）和國家自然科學基金（No.22208350）的支持。

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

（綠色生化過程研究部）