基于黃素葡萄糖脫氫酶和有機電化學晶體管的無介體葡萄糖傳感器及其微流控即時檢測應用

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

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月05日 來源：npj Biosensing

　　

在全球每10名成年人中就有1人受糖尿病影響的背景下，葡萄糖傳感技術的創新成為生物醫學工程領域的重要課題。當前最常用的葡萄糖氧化酶(GOx)傳感器面臨著一個根本性挑戰：其深埋于酶口袋內的黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)輔因子與電極表面距離過遠(17-22 ?)，導致直接電子傳遞(DET)極難實現，且其對氧氣的敏感性會干擾檢測結果。這些限制促使科學家尋找更優化的酶替代方案。

在這項發表于《npj Biosensing》的研究中，Bernhard Burtscher等研究者將目光投向了來自米曲霉的黃素依賴型葡萄糖脫氫酶(AoGDH)。與GOx不同，AoGDH的FAD輔因子更接近酶表面(約13 ?)，這為無需電子介體的直接電子傳遞創造了條件。盡管AoGDH的穩定性通常低于GOx，但其無需氧氣的催化特性使其成為第三代傳感器的理想候選。

研究團隊創新性地將AoGDH與有機電化學晶體管(OECT)技術相結合。OECT作為一種三端器件，通過柵極電壓調控有機混合離子電子導體(OMIEC)通道中的電流，具有高跨導和信號放大能力。該研究采用EDOT-噻吩-EDOT("ETE")三聚體單體單元，通過電聚合在OECT柵電極上構建了酶-聚合物復合基質。特別值得注意的是，他們比較了兩種功能化單體ETE-COONa和ETE-S的性能差異，發現pETE-COONa/AoGDH組合的傳感響應顯著優于pETE-S/AoGDH，在40 mM葡萄糖濃度下響應值相差近一個數量級。

為克服AoGDH穩定性不足的缺點，研究者進一步將傳感器集成到3D打印的毛細驅動微流控裝置中。這種被動式微流控系統無需外部泵閥，通過毛細作用自動驅動液體，特別適合即時檢測應用。他們設計了具有保留閥的微流控結構，實現了功能化、清洗和測量的順序操作，成功在微通道內完成了傳感器的原位制備和葡萄糖檢測。

關鍵技術方法包括：利用電聚合(計時電流法)在OECT柵電極上構建酶-聚合物基質；采用三噻吩單體(ETE-COONa和ETE-S)與AoGDH形成復合傳感界面；通過3D打印制備毛細驅動微流控芯片；使用Keithley 2612源表進行電學表征和傳感器響應測試。

結果與討論

單體選擇與傳感器性能

研究發現pETE-COONa/AoGDH組合在葡萄糖檢測中表現優異，其歸一化響應(NR=(I_x-I₀)/I₀)在生理濃度范圍(3.5-6 mM)內呈現良好的線性響應。相比之下，GOx在相同體系中未觀察到明顯的葡萄糖響應，證實了AoGDH在直接電子傳遞方面的獨特優勢。循環伏安測試顯示，潔凈的pETE-COONa膜在-0.265 V (vs SHE)附近出現還原電流，與FAD活性電位區重疊。

柵電壓影響與電子傳遞機制

令人驚訝的是，即使在0 V和0.1 V的低柵壓下，傳感器仍能檢測葡萄糖，響應信號與0.3 V或0.5 V時相當。這支持了直接電子傳遞機制，因為唯一需要克服的 redox 電位是FAD的電位(-0.45 V vs Ag/AgCl)。計算表明，相對于FAD電位+0.1 V的過電位對應約1 nm的隧道距離。

穩定性評估

AoGDH的穩定性確實不如GOx，存儲7天后傳感器對4 mM葡萄糖的響應下降約10倍，在生理濃度范圍內基本失去靈敏度。值得注意的是，單體制備后3天時傳感器響應已開始衰減，表明溶液儲存過程中的降解速度比成型傳感器更慢。

微流控集成

將OECT與毛細驅動微流控集成后，傳感器成功檢測了0.5-100 mM范圍內的葡萄糖濃度，特別是5 mM的生理相關濃度呈現明顯的階梯響應。雖然微流控內的響應值低于開放體系，但這證明了在受限空間內進行傳感器原位制備的可行性。研究者還設想了一種具有"自動化"釋放序列的微流控設備，通過不同保留時間的儲液池實現試劑的預編程順序輸送。

結論與展望

本研究首次實現了AoGDH在OECT傳感器中的集成，創建了一種無需介體的葡萄糖檢測平臺。通過三噻吩單體的電聚合成功構建了酶-聚合物界面，實現了直接電子傳遞。雖然AoGDH的商業來源限制了對其電子傳遞機制的精確解析，但無介體條件下葡萄糖的成功檢測有力支持了第三代傳感器的設計理念。

微流控集成不僅解決了酶穩定性問題，還為即時檢測提供了實用平臺。未來通過優化器件一致性和多次成膜工藝，有望實現近連續監測。這種按需制備的策略為糖尿病管理提供了新思路，特別是其在小樣本量、便攜式和易用性方面的優勢，預示著在個性化醫療領域的應用潛力。

研究的創新點在于將酶工程、有機電子學和微流控技術巧妙結合，為第三代生物傳感器的發展提供了新范式。隨著對酶結構的深入理解和材料工程的進步，這種按需功能化的OECT平臺有望擴展到更多代謝物的檢測，推動即時診斷技術的革新。