基于黄素葡萄糖脱氢酶和有机电化学晶体管的无介体葡萄糖传感器及其微流控即时检测应用

《npj Biosensing》：Ad hoc manufactured OECT glucose sensor in capillary-driven microfluidic

本文推荐一项创新研究：为解决葡萄糖氧化酶(GOx)在第三代酶传感器中存在的氧敏感性和电子传递困难，研究人员开发了基于米曲霉黄素葡萄糖脱氢酶(AoGDH)的有机电化学晶体管(OECT)传感器。通过三噻吩单体电聚合形成酶-聚合物基质，实现了无需介体的直接电子传递(DET)，在生理葡萄糖浓度范围(2-40 mM)内获得良好响应。结合3D打印毛细驱动微流控装置，实现了传感器的原位制备，为糖尿病即时检测(POCT)提供了新策略。

　　

在全球每10名成年人中就有1人受糖尿病影响的背景下，葡萄糖传感技术的创新成为生物医学工程领域的重要课题。当前最常用的葡萄糖氧化酶(GOx)传感器面临着一个根本性挑战：其深埋于酶口袋内的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)辅因子与电极表面距离过远(17-22 ?)，导致直接电子传递(DET)极难实现，且其对氧气的敏感性会干扰检测结果。这些限制促使科学家寻找更优化的酶替代方案。

在这项发表于《npj Biosensing》的研究中，Bernhard Burtscher等研究者将目光投向了来自米曲霉的黄素依赖型葡萄糖脱氢酶(AoGDH)。与GOx不同，AoGDH的FAD辅因子更接近酶表面(约13 ?)，这为无需电子介体的直接电子传递创造了条件。尽管AoGDH的稳定性通常低于GOx，但其无需氧气的催化特性使其成为第三代传感器的理想候选。

研究团队创新性地将AoGDH与有机电化学晶体管(OECT)技术相结合。OECT作为一种三端器件，通过栅极电压调控有机混合离子电子导体(OMIEC)通道中的电流，具有高跨导和信号放大能力。该研究采用EDOT-噻吩-EDOT("ETE")三聚体单体单元，通过电聚合在OECT栅电极上构建了酶-聚合物复合基质。特别值得注意的是，他们比较了两种功能化单体ETE-COONa和ETE-S的性能差异，发现pETE-COONa/AoGDH组合的传感响应显著优于pETE-S/AoGDH，在40 mM葡萄糖浓度下响应值相差近一个数量级。

为克服AoGDH稳定性不足的缺点，研究者进一步将传感器集成到3D打印的毛细驱动微流控装置中。这种被动式微流控系统无需外部泵阀，通过毛细作用自动驱动液体，特别适合即时检测应用。他们设计了具有保留阀的微流控结构，实现了功能化、清洗和测量的顺序操作，成功在微通道内完成了传感器的原位制备和葡萄糖检测。

关键技术方法包括：利用电聚合(计时电流法)在OECT栅电极上构建酶-聚合物基质；采用三噻吩单体(ETE-COONa和ETE-S)与AoGDH形成复合传感界面；通过3D打印制备毛细驱动微流控芯片；使用Keithley 2612源表进行电学表征和传感器响应测试。

结果与讨论

单体选择与传感器性能

研究发现pETE-COONa/AoGDH组合在葡萄糖检测中表现优异，其归一化响应(NR=(I_x-I₀)/I₀)在生理浓度范围(3.5-6 mM)内呈现良好的线性响应。相比之下，GOx在相同体系中未观察到明显的葡萄糖响应，证实了AoGDH在直接电子传递方面的独特优势。循环伏安测试显示，洁净的pETE-COONa膜在-0.265 V (vs SHE)附近出现还原电流，与FAD活性电位区重叠。

栅电压影响与电子传递机制

令人惊讶的是，即使在0 V和0.1 V的低栅压下，传感器仍能检测葡萄糖，响应信号与0.3 V或0.5 V时相当。这支持了直接电子传递机制，因为唯一需要克服的 redox 电位是FAD的电位(-0.45 V vs Ag/AgCl)。计算表明，相对于FAD电位+0.1 V的过电位对应约1 nm的隧道距离。

稳定性评估

AoGDH的稳定性确实不如GOx，存储7天后传感器对4 mM葡萄糖的响应下降约10倍，在生理浓度范围内基本失去灵敏度。值得注意的是，单体制备后3天时传感器响应已开始衰减，表明溶液储存过程中的降解速度比成型传感器更慢。

微流控集成

将OECT与毛细驱动微流控集成后，传感器成功检测了0.5-100 mM范围内的葡萄糖浓度，特别是5 mM的生理相关浓度呈现明显的阶梯响应。虽然微流控内的响应值低于开放体系，但这证明了在受限空间内进行传感器原位制备的可行性。研究者还设想了一种具有"自动化"释放序列的微流控设备，通过不同保留时间的储液池实现试剂的预编程顺序输送。

结论与展望

本研究首次实现了AoGDH在OECT传感器中的集成，创建了一种无需介体的葡萄糖检测平台。通过三噻吩单体的电聚合成功构建了酶-聚合物界面，实现了直接电子传递。虽然AoGDH的商业来源限制了对其电子传递机制的精确解析，但无介体条件下葡萄糖的成功检测有力支持了第三代传感器的设计理念。

微流控集成不仅解决了酶稳定性问题，还为即时检测提供了实用平台。未来通过优化器件一致性和多次成膜工艺，有望实现近连续监测。这种按需制备的策略为糖尿病管理提供了新思路，特别是其在小样本量、便携式和易用性方面的优势，预示着在个性化医疗领域的应用潜力。

研究的创新点在于将酶工程、有机电子学和微流控技术巧妙结合，为第三代生物传感器的发展提供了新范式。随着对酶结构的深入理解和材料工程的进步，这种按需功能化的OECT平台有望扩展到更多代谢物的检测，推动即时诊断技术的革新。