化學與材料科學 - 南京工業大學儲震宇教授《ACS AMI》：納米「芯」生物傳感芯片僅需12s實現發酵底物蔗糖的超靈敏監測－鑽石舞台

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蔗糖是發酵過程中應用最廣泛的碳源之一，其濃度波動直接決定微生物代謝速率。同時，蔗糖在生物疫苗的生產中也起着關鍵的保護劑作用，特別是在治療新冠肺炎的新型mRNA疫苗中。因此，在工業發酵和合成生物學研究中，對蔗糖的快速、精確檢測一直是亟待解決的關鍵核心技術。

近日，南京工業大學化工學院儲震宇教授在ACS出版社旗下國際知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上發表了題為「Scalable Printing of Prussian Blue Analogue@Au Edge-Rich Microcubes as Flexible Biosensing Microchips Performing Ultrasensitive Sucrose Fermentation Monitoring」的論文。這項工作報道了一種超靈敏蔗糖生物傳感芯片，依靠構建富邊立方結構普魯士藍@納米金（PBA@AuER）複合傳感材料，僅需12秒即可對發酵過程中蔗糖底物精準識別。這種特殊的幾何結構是通過將PBA沿着（4 2 0）晶面定向誘導以在傳統立方結構的12條棱邊處衍生出大量規則、連續的階梯式邊沿形貌。該複合材料可進一步轉化為絲網印刷油墨，批量化製備可精準識別蔗糖的生物傳感納米芯片，獲得高靈敏度、寬檢測範圍和低檢測限。同時考慮到真實發酵檢測中葡萄糖和蔗糖通常共存的問題，該工作創造性地提出了一種二元混合組分分析策略，能實現葡萄糖和蔗糖兩種濃度信號的區分。這項工作設計出的這種穩定、快速響應的蔗糖生物傳感芯片為發酵過程中微生物代謝的實時監測提供了先進技術，為發酵過程控制開闢了新的途徑。

圖1. （a）PBA@AuER複合材料的製備流程圖；（b）蔗糖生物傳感器的構建方法；（c）發酵用蔗糖生物傳感芯片的檢測機理。

圖2.（a）合成PBA的反應步驟示意圖；不同CuCl2濃度下製備的PBA的FESEM圖像：（b）10mM，（c）20mM，（d）30mM和（e）40mM；（f）PBAER材料的TEM圖像；（g）、（h）為Cu、Co元素Mapping分布結果；（i）PBAER材料的SAED表徵和（j）XRD表徵。

圖3.（a）重複30次電化學穩定性測試結果；（b）裸金電極、PBAER材料和PBA@AuER複合材料修飾電極的CV對比圖；（c）上述三個電極在0.1至100kHz的掃描頻率範圍內的EIS阻抗譜；（d）PBAER材料的SECM催化活性掃描；(e)PBA@AuER複合材料的SECM催化活性掃描；（f）PBA@AuER複合材料修飾電極在不同掃描速率下的CV圖；（g）PBA@AuER複合材料的峰值電流與掃描速率平方根的線性擬合圖；（h）裸金電極、PBAER材料和PBA@AuER複合材料修飾電極的電流與掃描速率平方根的線性擬合圖。

圖4.（a）用導電碳油墨混合PBA@AuER複合材料製備絲網印刷芯片；（b） PBAER材料，PBA@AuER複合材料和印刷油墨三種材料的XRD表徵；（c） PBAER材料，PBA@AuER複合材料和印刷油墨三種材料的FTIR表徵。

圖5.（a）芯片對蔗糖和葡萄糖的I−t結果；（b）芯片對蔗糖的響應時間；（c）響應電流與葡萄糖或蔗糖濃度之間線性關係圖；（d）從低濃度到高濃度連續添加蔗糖時的I−t圖像，插圖顯示了200 s至800 s的I−t結果；（e）電流密度與蔗糖濃度的線性擬合圖；（f）低濃度下電流密度與蔗糖濃度的線性擬合圖。

圖6.（a）製備的蔗糖芯片對葡萄糖、乙醇、果糖、穀氨酸、賴氨酸、甲醇、乳酸和丙酮酸的抗干擾性能；（b）隨機測試所製備蔗糖芯片的靈敏度偏差；（c）對單枚蔗糖芯片進行重複30天的長期穩定性測試；（d）、（e）真實發酵檢測過程、機理示意圖；（f）真實發酵液中蔗糖和葡萄糖的同步分析結果。

相關工作以「Scalable Printing of Prussian Blue Analogue@Au Edge-Rich Microcubes as Flexible Biosensing Microchips Performing Ultrasensitive Sucrose Fermentation Monitoring」為題，近期發表於《ACSAppliedMaterials&Interfaces》（DOI：10.1021/acsami.2c09446）。論文第一作者是南京工業大學碩士研究生張可，通訊作者為南京工業大學的儲震宇教授。

原文連接

Ke Zhang, Meiqi Wang, Tao Liu, Zhenyu Chu*, Wanqin Jin, Scalable Printing of Prussian Blue Analogue@Au Edge-Rich Microcubes as Flexible Biosensing Microchips Performing Ultrasensitive Sucrose Fermentation Monitoring, 2022.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c09446

作者簡介

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儲震宇教授現工作於南京工業大學化工學院、材料化學工程國家重點實驗室。在Angew. Chem. Int. Ed.、Biosens. Bioelectron.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Commun.、AIChE Journal、ACS Sustain. Chem. Eng.等期刊發表SCI論文60餘篇；發表論文累計SCI引用2100多次，H-Index達25，單篇最高引用208次；出版英文專章2部；獲授權發明專利12件（含歐洲專利1件）。主持國家自然科學基金青年項目、面上項目，國家重點研發計劃課題、子課題項目，江蘇省產業技術研究院「二次開發項目」、以副組長身份承擔國家自然科學基金重大科學儀器研製項目子任務、共同承擔南京市醫藥衛生科研課題。入選國際先進材料協會會士（FIAAM），江蘇省「雙創計劃」科技副總項目，擔任中國膜工業協會「醫藥生物用膜技術專業委員會」委員、中國研究型醫院學會「麻醉學專委會」委員、Frontiers in Nanotechnology、Current Research in Biotechnology編輯。在亞太膜會議、全國醫藥生物膜技術高端論壇、全國膜與膜過程會議等化工、膜領域重要會議做大會報告1次、主旨報告1次、邀請報告5次。

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