罗建泉：开发邻域纳米结构生物传感膜

yinjian

葡萄糖检测和实时连续监测对于糖尿病等疾病的诊断和预防，以及制糖和发酵过程中的可控生产至关重要。在这一过程中，以葡萄糖氧化酶（Gox）、普鲁士蓝（PB）、电极为核心的葡萄糖生物传感设备极具前景。近日，过程工程所生化工程国家重点实验室开发出具有邻域纳米结构的新型三维（3D）介孔生物传感膜，大幅提高了葡萄糖生物传感设备中传感区域面积、PB利用率以及底物对传感区域可及性，具有优异的灵敏度和长期稳定性。相关工作发表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202303313)。
　　由于PB形成速率快且极易团聚，使其在电极上的合成和分布难以控制，导致PB高密度无序堆积，形成传感区域面积小、PB利用率低且空间位阻大的逐层分布传感结构，传感灵敏度低且稳定性差。

图1 受细胞膜上电子传递链结构启发，开发具有邻域纳米结构的三维介孔生物传感膜示意图。

　　针对上述问题，过程工程所生化工程国家重点实验室万印华研究员团队以单宁酸-3-氨丙基三乙氧基硅烷-铁（TA-APTES-Fe）三元涂层作为结构导向剂，调控PB的固定化位置和组装速率，分别通过配位和共价作用将PB和GOx相邻固定在3D介孔碳纳米管（CNTs）膜电极中，制备出具有邻域纳米结构的介孔生物传感膜。与逐层纵向分布的生物传感器相比，新型传感膜将传感区域从2D平面扩展到3D介孔膜电极中，从而提高了PB的利用率以及葡萄糖和过氧化氢（H2O2）对传感区域的可及性。同时，这一结构拉近了级联传感单元间的距离，从而缩短H2O2到达传感界面的扩散距离，有效抑制H2O2向主体溶液中的扩散，降低其无效耗散。实验数据表明，在流通模式下，新型传感膜的灵敏度高达31.2 μA mM-1，可稳定连续监测蔗汁中的葡萄糖浓度长达8小时无电流响应漂移。

图2 生物传感膜“疏松-降解自清洁机制”示意图。

　　针对生物传感器污染问题，研究团队基于PB的pH响应多酶活性，提出利用GOx-PB级联反应依次产生微气泡和芬顿氧化来模拟“疏松-降解”膜清洁过程，原位产生的微气泡带来的剪切作用有助于疏松膜表面污染层，进而增加自由基对污染物的可及性，从而实现被污染的生物传感膜的自清洁。
　　过程工程所2022届硕士毕业生宋思青为论文第一作者，助理研究员张昊及研究员罗建泉为共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划（No.2021YFC2102802）和国家自然科学基金（No.22208350）的支持。
　　论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303313
       文章来源：过程所
       罗建泉，男，1983年5月出生，中共党员，研究生学历，博士。2010年获中科院过程工程研究所生物化工专业博士学位，2012年获法国贡比涅技术大学过程工业工程专业博士学位。2012至2014年在丹麦技术大学生物过程工程中心从事博士后研究。2014年12月获中科院人才引进计划，任生化工程国家重点实验室研究员、主任助理，现任绿色生化过程研究部主任。多年来从事高性能分离膜材料制备及其在食品加工、生物炼制、酶固定化等领域的应用。在Adv. Funct. Mater.、J. Membr. Sci.、Chem. Eng. J.等刊物发表SCI收录论文180余篇（6篇高被引），其中第一/通讯作者论文100余篇，申请中国发明专利38项（授权20项），PCT澳大利亚专利2项（已授权），Web of Science他引近5000次，H-index 42。获第三届闵恩泽能源化工奖青年进步奖，第十届侯德榜化工科学技术青年奖，中国膜科技中青年突出贡献专家称号，入选北京市科协2019-2021年度青年人才托举工程和中国科学院北京分院第四届“启明星”复合型人才。现任中国膜工业协会医药生物用膜技术专业委员会副秘书长和工程与应用专业委员会委员、中国生物工程学会青委会副秘书长、中国海水淡化与水再利用学会青委会执行委员、北京膜学会第八届理事会理事、国际水协会膜技术专业委员会中国分会理事、《RINENG》、《膜科学与技术》编委和《J. Membr. Sci.》青年编委。