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研究团队 | 作者
酥鱼 | 编辑
生物标志物（如葡萄糖等）的无创实时监测对疾病预防、诊断、健康管理都有重要作用。以针对葡萄糖的便携式传感器为例，检测过程以葡萄糖氧化反应(GOR)所产生的电子来提供检测信号。目前电化学传感的敏感材料对于该反应是2电子的氧化过程，将葡萄糖氧化成葡萄糖酸，因此每个葡萄糖分子检测时只能采集2个电子，这限制了灵敏度的进一步提高。葡萄糖作为多碳物质，其完全氧化最高可释放24个电子，这对于传感信号放大、生物质、能源等多个领域均具有重要的意义，但目前依然是一个难以实现的目标。
近日，化学与化工学院蔡彬教授课题组开发了一种高灵敏的葡萄糖电化学传感器。该类新型电化学传感器以氢氧化铜-有机框架材料(Cu-MHOF)为电化学敏感层，在检测过程中成功实现葡萄糖分子的完全氧化，大幅提高了每个葡萄糖分子检测信号的放大，并基于此研发了便携式无线葡萄糖传感器用于监测人体体液中葡萄糖的动态变化。相关研究成果以“Complete Glucose Electrooxidation Enabled by Coordinatively Unsaturated Copper Sites in Metal-Organic Frameworks ”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.，同时被选为VIP论文。
图1 葡萄糖电催化氧化机理图
如图1所示，Cu(OH)2在催化葡萄糖氧化方面具有天然优势，它可以通过瞬时热催化自发地将催化葡萄糖氧化，释放2个电子。本项工作，将Cu(OH)2层与芳香羧酸配体相连设计制备了Cu-MHOF催化剂。Cu-MHOF中的芳香族配体表现出强大的π-π相互作用，即提高了催化剂的结构稳定性，同时也暴露了大量的不饱和Cu位点。在GOR过程中，不饱和的Cu位点协同芳香族配体对反应物及其中间体吸附起到了至关重要的作用，促进了葡萄糖的完全氧化。与Cu(OH)2纳米材料相比，Cu-MHOF对葡萄糖的氧化传感信号提高了约40倍。本项工作也利用同位素标记等多种手段对葡萄糖的深度氧化机理进行了细致的研究。
图2 小型电化学葡萄糖传感器的测试性能图
得益于Cu-MHOF增强的电催化信号放大性能，本工作联合深圳刷新生物传感科技有限公司设计开发了一种便携式的Cu-MHOF葡萄糖电化学传感器，设备长度小于10 cm，可以实现对低浓度葡萄糖的灵敏检测。如图2所示，Cu-MHOF葡萄糖传感器表现出了优异的传感性能，成功地实现了对人体唾液的动态监测。
图3 基于小型的Cu-MHOF电化学传感器的无创葡萄糖监测系统的概念图
基于上述电化学传感器的无创葡萄糖监测系统(图3)主要由三个主要部分组成：客户端(APP)、云端和相关硬件设备。该系统操作简单，可以通过手机或者pad完成操作控制。测试结果可以通过手机实时记录及查询，并可以同步到云端。远程医护人员可以根据云端的检测结果提供医疗指导，用户也可以根据检测结果和医嘱调整饮食或药物。
上述研究得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金、江苏省自然科学基金、山东省泰山学者计划以及深圳市科技创新委员会项目的资助。
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