《RSC Advances》：Sustainable and innovative electrochemical approach for quantifying glycine betaine in bacterial cultures
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利用电化学传感监测实际发展中的细菌生物合成一直是一项具有挑战性的任务。研究人员聚焦于制造并优化一种可持续且经济的电化学传感器（GB-CG），用于定量各种细菌培养物中的甘氨酸甜菜碱（GB）含量。该传感器的设计基于GB与磷钨酸（PTA）阴离子之间的离子缔合复合物作
利用电化学传感监测实际发展中的细菌生物合成一直是一项具有挑战性的任务。研究人员聚焦于制造并优化一种可持续且经济的电化学传感器（GB-CG），用于定量各种细菌培养物中的甘氨酸甜菜碱（GB）含量。该传感器的设计基于GB与磷钨酸（PTA）阴离子之间的离子缔合复合物作为离子交换位点，使用聚氯乙烯（PVC）作为主要聚合物基质，邻苯二甲酸二辛酯（DOP）作为溶剂介体/增塑剂。该传感器在宽浓度范围（1 × 10?7 至 1 × 10?1 M）内表现出快速、线性且稳定的能斯特响应（57.52 mV每十进），检测限为1 × 10?8 M。研究人员从选择性、响应时间、操作寿命、pH/温度工作范围以及关键验证参数等方面评估了所提出传感器的性能。与已报道的HPLC方法相比，该传感器被有效用于测定三种不同细菌培养物中的GB含量。所选细菌种为大肠杆菌（Escherichia coli）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum）。研究人员还使用三色可持续性评估（TSA）协议对该传感器进行了评估，以确保其环境兼容性、可持续性和实用性。此外，将所提出的传感器与最近报道的GB传感器进行了统计比较，证明了其可靠性和最佳性能。
甘氨酸甜菜碱（GB，一种季铵盐渗透保护剂）在农业、工业和医药领域具有重要应用，但其传统来源（植物提取和化学合成）存在成本高、副产物毒性等问题。通过细菌生物合成（如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和谷氨酸棒状杆菌）生产GB成为更经济的替代方案，但缺乏快速、原位定量GB的分析方法。现有技术（如高效液相色谱、液相色谱-质谱联用）耗时长、成本高，而电化学传感器虽具潜力，但至今未应用于细菌培养物检测。为此，研究人员开发了一种基于石墨棒的聚合物膜电位传感器（GB-CG），旨在实现细菌发酵过程中GB的可持续、经济、实时监测，该论文发表于《RSC Advances》。
主要关键技术方法包括：制备GB与磷钨酸（PTA）的离子缔合复合物，通过电导滴定和元素分析确认其1:1化学计量；将复合物与聚氯乙烯（PVC）、邻苯二甲酸二辛酯（DOP）混合后涂覆于石墨棒表面，构建聚合物膜传感器；使用电位计进行校准与测量；细菌样本来源于埃及国家研究中心（NRC），包括大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和谷氨酸棒状杆菌，经培养、诱导、裂解后调pH至5.5，采用传感器直接测定，并与已报道HPLC方法对比验证；同时应用三色可持续性评估（TSA）协议评价环境兼容性。
研究结果如下：
**3.1 传感器性能评估**：通过校准曲线分析，GB-CG传感器在1 × 10
?7 至 1 × 10
?1 M浓度范围内呈现线性能斯特响应，斜率为57.52 mV每十进，检测限为1 × 10
?8 M，决定系数r
2为0.9996。
**3.2 传感器膜组成优化**：通过系统改变GB-PTA离子缔合物、DOP和PVC的质量比例，发现含20% GB-PTA的膜配方（40% PVC、40% DOP）获得最佳能斯特斜率。
**3.3 条件化时间的影响**：将新制传感器浸泡于1 × 10
?1 M GB溶液中2小时，可获得近理想的能斯特行为（斜率-57.52 mV每十进）。
**3.4 传感器选择性评估**：采用分离溶液法（SSM）测试金属阳离子、结构类似物（胆碱、甘氨酸、二甲基甘氨酸、肉碱）及常见细菌基质成分（糖类和氨基酸），所有选择性系数均低于1，表明传感器对GB具有高选择性，归因于离子-离子载体互补性、水合能及亲脂性差异。
**3.5 传感器响应时间**：在1 × 10
?7 至 1 × 10
?1 M浓度范围内，传感器在10秒内达到稳定电位（±3 mV内），并维持至少300秒。
**3.6 传感器测量重现性**：在1 × 10
?3 M和1 × 10
?2 M GB溶液中进行6次重复测量，相对标准偏差（%RSD）分别为0.729%和0.515%，均低于2%。
**3.7 pH对传感器响应的影响**：在pH 3–8范围内传感器响应稳定，超出此范围电位下降，归因于PTA离子缔合物的质子化/去质子化导致复合物解离。
**3.8 温度对传感器响应的影响**：在10–40 °C范围内传感器响应稳定，低于10 °C或高于40 °C时电位不稳定，可能涉及表面冻结或加速扩散及膜热效应。
**3.9 传感器稳定性和寿命**：在75天内传感器保持稳定能斯特斜率，超过75天后出现偏离，主要由于PTA阴离子疏水锚定作用有限，长期使用导致膜机械性能下降和复合物浸出。
**3.10 方法验证**：线性范围1 × 10
?7 至 1 × 10
?1 M；检测限（LOD）1 × 10
?8 M，定量限（LOQ）1 × 10
?7 M；在1 × 10
?6、1 × 10
?4和1 × 10
?2 M三个浓度下准确度（平均回收率98.56±0.96%）和精密度（%RSD重复性0.322%、中间精密度1.122%）均表现优异。
**3.11 应用**：传感器成功测定三种细菌中的GB含量（mg g
?1），谷氨酸棒状杆菌含量最高（23.278±0.123），结果与HPLC方法一致；标准添加法确认无基质干扰。
**3.12 三色可持续性评估**：AGREE绿色度评分为0.78，BAGI实用性评分为77.5，RGB12白度评分为90.0，RGBfast自动评分为91，表明传感器在环保性、实用性和经济性方面表现优异。
**3.13 统计比较**：与近期报道的GB传感器相比，GB-CG传感器在宽线性范围、快速响应、长寿命（75天）、低成本及首次应用于细菌培养物检测方面具有显著优势，且综合可持续性指标领先。
**讨论部分**：传感器的高选择性源于离子-离子载体互补的“锁匙”机制、离子水合能差异及亲脂性分配；pH和温度影响与其识别机理（季铵基团永久正电荷）及PTA稳定性相关；长期稳定性受限于膜内复合物的逐渐浸出和机械损伤。与HPLC和文献传感器对比，GB-CG在操作简便性、成本效益和可持续性上更适用于细菌培养的现场监测。
**结论**：本研究旨在开发并优化一种聚合物涂层石墨传感器（GB-CG），用于直接原位定量各种细菌培养物中的GB含量，无需复杂样品制备步骤。该传感器使用基础石墨棒和常见化学品简单制造，通过标准实验室pH/电位计评估性能，整体操作成本低廉。GB-CG传感器在宽浓度范围（1 × 10
?7 至 1 × 10
?1 M）内表现出快速、线性且选择性的能斯特响应，检测限低至1 × 10
?8 M。该传感器被有效用于测定各种细菌培养物中的GB含量，所得结果与已报道HPLC方法一致。不同实验条件下的比较研究证明了GB-CG传感器相对于之前报道的GB传感器的优势。然而，在生产设施等真实条件下的验证至关重要。未来研究需探索其在更大样本量和多种细菌培养物中测定GB含量的应用，并改进传感器耐久性，以在复杂环境中实现精确监测。
