一種抗生物污染的電化學(xué)葡萄糖傳感器

糖尿病是一個全球性的健康問題，可對心臟、腎臟和其他器官造成慢性損害。因此，監(jiān)測血液中葡萄糖的濃度對糖尿病患者的臨床診斷和日常護(hù)理具有重要意義。隨著電化學(xué)生物傳感器的快速發(fā)展，電化學(xué)葡萄糖傳感器可簡單并迅速地測定血糖，因而已經(jīng)成為了一大研究熱點(diǎn)。

汗液中含有多種代謝產(chǎn)物，并且其組成與血液基本一致。因此，汗液中生化標(biāo)記物（例如葡萄糖、鈉鉀離子、乳酸等）的指標(biāo)濃度，可以很好地反映出血液中生化指標(biāo)的變化。此外，由于汗液易于獲得，可以實(shí)現(xiàn)對葡萄糖濃度的實(shí)時監(jiān)測。因此，汗液可穿戴傳感器是無創(chuàng)傳感器中研究最為廣泛的，目前已經(jīng)取得了一些令人鼓舞的成果。然而，復(fù)雜生物環(huán)境下的非特異性吸附和生物污染會導(dǎo)致生物傳感器靈敏度降低、響應(yīng)時間延長、檢測誤差擴(kuò)大，甚至使傳感器失效。因此，迫切需要開發(fā)能夠有效抵抗復(fù)雜生物樣品非特異性吸附的抗污染生物傳感器。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中電科芯片技術(shù)（集團(tuán)）有限公司以及上海大學(xué)的研究人員利用3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT）-磷酸膽堿（PC）與一定比例的羥基功能化3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT-OH）共聚，并和葡萄糖氧化酶（GOx）一起電沉積到金（Au）片上，構(gòu)建了基于葡萄糖氧化酶的電化學(xué)葡萄糖傳感器。葡萄糖氧化酶電沉積在導(dǎo)電高分子中，與導(dǎo)電聚合物直接接觸，當(dāng)葡萄糖被氧化后，產(chǎn)生的電子可以直接被導(dǎo)電聚合物捕獲，使得制備的葡萄糖傳感器具有顯著的抗蛋白粘附的效果，從而進(jìn)一步呈現(xiàn)出良好的葡萄糖檢測性能。相關(guān)研究成果以“一種抗生物污染的導(dǎo)電高分子葡萄糖傳感器”為題發(fā)表在《傳感器與微系統(tǒng)》期刊上。

圖1 基于葡萄糖氧化酶的電化學(xué)葡萄糖傳感器的制備

功能化導(dǎo)電聚合物表面的抗粘附性能測試

為了考察EDOT-PC/EDOT-OH的不同共聚比例對葡萄糖傳感器抗牛血清蛋白（BSA）粘附性能的影響，研究人員使用石英晶體微天平（QCM），并利用空白芯片為對照，進(jìn)行了相關(guān)測試。測試結(jié)果如圖2所示，與EDOT-PC/EDOT-OH共聚體（EDOT-PC-co-EDOT-OH）相比，空白芯片的諧振頻率下降了30 Hz左右，說明該芯片表面粘附了大量蛋白。而隨著EDOT-PC單體比例的不斷升高，葡萄糖傳感器的諧振頻率下降的程度越來越小，說明EDOT-PC-co-EDOT-OH抗蛋白粘附效果越來越好，并證明EDOT-PC具有良好的抗蛋白粘附作用。在EDOT-PC單體含量達(dá)到80%時，諧振頻率下降程度最小（低于5 Hz）。因此，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，研究人員均采用了此共聚比例。

圖2 電化學(xué)葡萄糖傳感器功能化導(dǎo)電聚合物表面的抗粘附性測試

葡萄糖傳感器的電化學(xué)性能

在該研究中，研究人員取含有80% EDOT-PC單體的沉積液與10 g/L的葡萄糖氧化酶共沉積在金片上，構(gòu)建出葡萄糖傳感器。在-0.600 V ~ 1.046 V電壓下，采用三電極體系，用循環(huán)伏安法進(jìn)行電化學(xué)聚合，其聚合曲線如圖3（a）所示。隨后，研究人員選取了第1圈、第5圈、第10圈以及第15圈的聚合曲線進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，隨著圈數(shù)的不斷增加，氧化電流也隨之升高，說明導(dǎo)電聚合物的厚度在逐漸增加，與此同時，沉積在聚合物中的葡萄糖氧化酶也就越多。在0.75 V的電壓下，將不同聚合圈數(shù)的傳感器浸沒于同一葡萄糖濃度（5 mmol/L）的PBS溶液中進(jìn)行電化學(xué)檢測，結(jié)果如圖3（b）所示。隨著聚合圈數(shù)的增加，檢測到葡萄糖傳感器的電流變化強(qiáng)度也隨之增加，但是，當(dāng)聚合圈數(shù)過多時，會導(dǎo)致聚合物不穩(wěn)定，容易從金片上脫落，因此，選擇了15圈作為最優(yōu)聚合圈數(shù)。

圖3 葡萄糖傳感器的電化學(xué)性能測試結(jié)果

葡萄糖傳感器的電化學(xué)響應(yīng)

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，研究人員用計(jì)時電流法評估了葡萄糖傳感器對葡萄糖的響應(yīng)。在0.75 V的電壓下，對不同濃度的葡萄糖（0.05 mmol/L ~ 21 mmol/L）進(jìn)行檢測，其檢測結(jié)果如圖4所示。從圖4（a）中可以看出，葡萄糖濃度越高，基于EDOT-PC-co-EDOT-OH構(gòu)建的葡萄糖傳感器的電流響應(yīng)越大，且該傳感器有著較寬的線性范圍（0.05 mmol/L ~ 21 mmol/L）。此外，由圖4（b）可知，該傳感器對葡萄糖濃度響應(yīng)的相關(guān)系數(shù)（R2）非常接近1，進(jìn)一步說明該電化學(xué)傳感器對葡萄糖有著良好的響應(yīng)。

圖4 電化學(xué)葡萄糖傳感器對不同濃度葡萄糖的電化學(xué)響應(yīng)

電化學(xué)葡萄糖傳感器的抗蛋白粘附性能

最后，為了進(jìn)一步證明該葡萄糖傳感器能夠用于實(shí)際汗液中的葡萄糖檢測，研究人員配制了含有1 g/L牛血清蛋白的葡萄糖（10 mmol/L）PBS溶液作為檢測液，在0.75 V的電壓下，進(jìn)行傳感器抗蛋白粘附性能的測試。同時，利用未含牛血清蛋白的同濃度葡萄糖PBS溶液作為對照組，比較了該電化學(xué)葡萄糖傳感器對添加了牛血清蛋白和未添加牛血清蛋白的葡萄糖溶液的響應(yīng)信號強(qiáng)度。響應(yīng)結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出，在添加葡萄糖溶液后，傳感器在2種狀態(tài)下均有著明顯的信號響應(yīng)，在界面穩(wěn)定之后，二者響應(yīng)信號幾乎一致，說明傳感器具有良好的抗蛋白粘附性能。

圖5 葡萄糖傳感器抗蛋白粘附性能測試

綜上所述，該研究利用共沉積法將葡萄糖氧化酶包裹在EDOT-PC-co-EDOT-OH的三維網(wǎng)絡(luò)里，共同沉積到金片上，構(gòu)建出電化學(xué)葡萄糖傳感器。該方法能夠使得葡萄糖氧化酶和導(dǎo)電聚合物直接接觸，進(jìn)行快速的電子傳遞。該傳感器不僅對葡萄糖有著良好的電化學(xué)響應(yīng)（0.05 mmol/L ~ 21 mmol/L），且當(dāng)EDOT-PC與EDOT-OH單體物質(zhì)的量比為4:1時，傳感器具有優(yōu)異的抗蛋白粘附效果。因此，該電化學(xué)葡萄糖傳感器可滿足在汗液中檢測葡萄糖的需求，并為柔性可穿戴汗液傳感器的構(gòu)建提供了一定技術(shù)基礎(chǔ)。

審核編輯：劉清