一种抗生物污染的电化学葡萄糖传感器
糖尿病是一个全球性的健康问题，可对心脏、肾脏和其他器官造成慢性损害。因此，监测血液中葡萄糖的浓度对糖尿病患者的临床诊断和日常护理具有重要意义。随着电化学生物传感器的快速发展，电化学葡萄糖传感器可简单并迅速地测定血糖，因而已经成为了一大研究热点。
汗液中含有多种代谢产物，并且其组成与血液基本一致。因此，汗液中生化标记物（例如葡萄糖、钠钾离子、乳酸等）的指标浓度，可以很好地反映出血液中生化指标的变化。此外，由于汗液易于获得，可以实现对葡萄糖浓度的实时监测。因此，汗液可穿戴传感器是无创传感器中研究最为广泛的，目前已经取得了一些令人鼓舞的成果。然而，复杂生物环境下的非特异性吸附和生物污染会导致生物传感器灵敏度降低、响应时间延长、检测误差扩大，甚至使传感器失效。因此，迫切需要开发能够有效抵抗复杂生物样品非特异性吸附的抗污染生物传感器。
据麦姆斯咨询报道，近期，中电科芯片技术（集团）有限公司以及上海大学的研究人员利用3,4-乙烯二氧噻吩（edot）-磷酸胆碱（pc）与一定比例的羟基功能化3,4-乙烯二氧噻吩（edot-oh）共聚，并和葡萄糖氧化酶（gox）一起电沉积到金（au）片上，构建了基于葡萄糖氧化酶的电化学葡萄糖传感器。葡萄糖氧化酶电沉积在导电高分子中，与导电聚合物直接接触，当葡萄糖被氧化后，产生的电子可以直接被导电聚合物捕获，使得制备的葡萄糖传感器具有显著的抗蛋白粘附的效果，从而进一步呈现出良好的葡萄糖检测性能。相关研究成果以“一种抗生物污染的导电高分子葡萄糖传感器”为题发表在《传感器与微系统》期刊上。
图1 基于葡萄糖氧化酶的电化学葡萄糖传感器的制备
功能化导电聚合物表面的抗粘附性能测试
为了考察edot-pc/edot-oh的不同共聚比例对葡萄糖传感器抗牛血清蛋白（bsa）粘附性能的影响，研究人员使用石英晶体微天平（qcm），并利用空白芯片为对照，进行了相关测试。测试结果如图2所示，与edot-pc/edot-oh共聚体（edot-pc-co-edot-oh）相比，空白芯片的谐振频率下降了30 hz左右，说明该芯片表面粘附了大量蛋白。而随着edot-pc单体比例的不断升高，葡萄糖传感器的谐振频率下降的程度越来越小，说明edot-pc-co-edot-oh抗蛋白粘附效果越来越好，并证明edot-pc具有良好的抗蛋白粘附作用。在edot-pc单体含量达到80%时，谐振频率下降程度最小（低于5 hz）。因此，在后续实验中，研究人员均采用了此共聚比例。
图2 电化学葡萄糖传感器功能化导电聚合物表面的抗粘附性测试
葡萄糖传感器的电化学性能
在该研究中，研究人员取含有80% edot-pc单体的沉积液与10 g/l的葡萄糖氧化酶共沉积在金片上，构建出葡萄糖传感器。在-0.600 v ~ 1.046 v电压下，采用三电极体系，用循环伏安法进行电化学聚合，其聚合曲线如图3（a）所示。随后，研究人员选取了第1圈、第5圈、第10圈以及第15圈的聚合曲线进行对比。结果显示，随着圈数的不断增加，氧化电流也随之升高，说明导电聚合物的厚度在逐渐增加，与此同时，沉积在聚合物中的葡萄糖氧化酶也就越多。在0.75 v的电压下，将不同聚合圈数的传感器浸没于同一葡萄糖浓度（5 mmol/l）的pbs溶液中进行电化学检测，结果如图3（b）所示。随着聚合圈数的增加，检测到葡萄糖传感器的电流变化强度也随之增加，但是，当聚合圈数过多时，会导致聚合物不稳定，容易从金片上脱落，因此，选择了15圈作为最优聚合圈数。
图3 葡萄糖传感器的电化学性能测试结果
葡萄糖传感器的电化学响应
在最佳实验条件下，研究人员用计时电流法评估了葡萄糖传感器对葡萄糖的响应。在0.75 v的电压下，对不同浓度的葡萄糖（0.05 mmol/l ~ 21 mmol/l）进行检测，其检测结果如图4所示。从图4（a）中可以看出，葡萄糖浓度越高，基于edot-pc-co-edot-oh构建的葡萄糖传感器的电流响应越大，且该传感器有着较宽的线性范围（0.05 mmol/l ~ 21 mmol/l）。此外，由图4（b）可知，该传感器对葡萄糖浓度响应的相关系数（r²）非常接近1，进一步说明该电化学传感器对葡萄糖有着良好的响应。
图4 电化学葡萄糖传感器对不同浓度葡萄糖的电化学响应
电化学葡萄糖传感器的抗蛋白粘附性能
最后，为了进一步证明该葡萄糖传感器能够用于实际汗液中的葡萄糖检测，研究人员配制了含有1 g/l牛血清蛋白的葡萄糖（10 mmol/l）pbs溶液作为检测液，在0.75 v的电压下，进行传感器抗蛋白粘附性能的测试。同时，利用未含牛血清蛋白的同浓度葡萄糖pbs溶液作为对照组，比较了该电化学葡萄糖传感器对添加了牛血清蛋白和未添加牛血清蛋白的葡萄糖溶液的响应信号强度。响应结果如图5所示，从图中可以看出，在添加葡萄糖溶液后，传感器在2种状态下均有着明显的信号响应，在界面稳定之后，二者响应信号几乎一致，说明传感器具有良好的抗蛋白粘附性能。
图5 葡萄糖传感器抗蛋白粘附性能测试
综上所述，该研究利用共沉积法将葡萄糖氧化酶包裹在edot-pc-co-edot-oh的三维网络里，共同沉积到金片上，构建出电化学葡萄糖传感器。该方法能够使得葡萄糖氧化酶和导电聚合物直接接触，进行快速的电子传递。该传感器不仅对葡萄糖有着良好的电化学响应（0.05 mmol/l ~ 21 mmol/l），且当edot-pc与edot-oh单体物质的量比为4:1时，传感器具有优异的抗蛋白粘附效果。因此，该电化学葡萄糖传感器可满足在汗液中检测葡萄糖的需求，并为柔性可穿戴汗液传感器的构建提供了一定技术基础。
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图1 基于葡萄糖氧化酶的电化学葡萄糖传感器的制备
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图2 电化学葡萄糖传感器功能化导电聚合物表面的抗粘附性测试
葡萄糖传感器的电化学性能
在该研究中，研究人员取含有80% edot-pc单体的沉积液与10 g/l的葡萄糖氧化酶共沉积在金片上，构建出葡萄糖传感器。在-0.600 v ~ 1.046 v电压下，采用三电极体系，用循环伏安法进行电化学聚合，其聚合曲线如图3（a）所示。随后，研究人员选取了第1圈、第5圈、第10圈以及第15圈的聚合曲线进行对比。结果显示，随着圈数的不断增加，氧化电流也随之升高，说明导电聚合物的厚度在逐渐增加，与此同时，沉积在聚合物中的葡萄糖氧化酶也就越多。在0.75 v的电压下，将不同聚合圈数的传感器浸没于同一葡萄糖浓度（5 mmol/l）的pbs溶液中进行电化学检测，结果如图3（b）所示。随着聚合圈数的增加，检测到葡萄糖传感器的电流变化强度也随之增加，但是，当聚合圈数过多时，会导致聚合物不稳定，容易从金片上脱落，因此，选择了15圈作为最优聚合圈数。
图3 葡萄糖传感器的电化学性能测试结果
葡萄糖传感器的电化学响应
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图4 电化学葡萄糖传感器对不同浓度葡萄糖的电化学响应
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最后，为了进一步证明该葡萄糖传感器能够用于实际汗液中的葡萄糖检测，研究人员配制了含有1 g/l牛血清蛋白的葡萄糖（10 mmol/l）pbs溶液作为检测液，在0.75 v的电压下，进行传感器抗蛋白粘附性能的测试。同时，利用未含牛血清蛋白的同浓度葡萄糖pbs溶液作为对照组，比较了该电化学葡萄糖传感器对添加了牛血清蛋白和未添加牛血清蛋白的葡萄糖溶液的响应信号强度。响应结果如图5所示，从图中可以看出，在添加葡萄糖溶液后，传感器在2种状态下均有着明显的信号响应，在界面稳定之后，二者响应信号几乎一致，说明传感器具有良好的抗蛋白粘附性能。
图5 葡萄糖传感器抗蛋白粘附性能测试
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