蔗糖是发酵过程中应用最广泛的碳源之一，其浓度波动直接决定微生物代谢速率。同时，蔗糖在生物疫苗的生产中也起着关键的保护剂作用，特别是在治疗新冠肺炎的新型mRNA疫苗中。因此，在工业发酵和合成生物学研究中，对蔗糖的快速、精确检测一直是亟待解决的关键核心技术。

近日，储震宇教授在ACS出版社旗下国际知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了题为“Scalable Printing of Prussian Blue Analogue@Au Edge-Rich Microcubes as Flexible Biosensing Microchips Performing Ultrasensitive Sucrose Fermentation Monitoring”的论文。这项工作报道了一种超灵敏蔗糖生物传感芯片，依靠构建富边立方结构普鲁士蓝@纳米金（PBA@AuER）复合传感材料，仅需12秒即可对发酵过程中蔗糖底物精准识别。这种特殊的几何结构是通过将PBA沿着（420）晶面定向诱导以在传统立方结构的12条棱边处衍生出大量规则、连续的阶梯式边沿形貌。该复合材料可进一步转化为丝网印刷油墨，批量化制备可精准识别蔗糖的生物传感纳米芯片，获得高灵敏度、宽检测范围和低检测限。同时考虑到真实发酵检测中葡萄糖和蔗糖通常共存的问题，该工作创造性地提出了一种二元混合组分分析策略，能实现葡萄糖和蔗糖两种浓度信号的区分。这项工作设计出的这种稳定、快速响应的蔗糖生物传感芯片为发酵过程中微生物代谢的实时监测提供了先进技术，为发酵过程控制开辟了新的途径。

图1. （a）PBA@AuER复合材料的制备流程图；（b）蔗糖生物传感器的构建方法；（c）发酵用蔗糖生物传感芯片的检测机理。

图2. （a）合成PBA的反应步骤示意图；不同CuCl₂浓度下制备的PBA的FESEM图像：（b）10mM，（c）20mM，（d）30mM和（e）40mM；（f）PBAER材料的TEM图像；（g）、（h）为Cu、Co元素Mapping分布结果；（i）PBAER材料的SAED表征和（j）XRD表征。

图3.（a）重复30次电化学稳定性测试结果；（b）裸金电极、PBAER材料和PBA@AuER复合材料修饰电极的CV对比图；（c）上述三个电极在0.1至100kHz的扫描频率范围内的EIS阻抗谱；（d）PBAER材料的SECM催化活性扫描；(e)PBA@AuER复合材料的SECM催化活性扫描；（f）PBA@AuER复合材料修饰电极在不同扫描速率下的CV图；（g）PBA@AuER复合材料的峰值电流与扫描速率平方根的线性拟合图；（h）裸金电极、PBAER材料和PBA@AuER复合材料修饰电极的电流与扫描速率平方根的线性拟合图。

图4.（a）用导电碳油墨混合PBA@AuER复合材料制备丝网印刷芯片；（b） PBAER材料，PBA@AuER复合材料和印刷油墨三种材料的XRD表征；（c） PBAER材料，PBA@AuER复合材料和印刷油墨三种材料的FTIR表征。

图5.（a）芯片对蔗糖和葡萄糖的I−t结果；（b）芯片对蔗糖的响应时间；（c）响应电流与葡萄糖或蔗糖浓度之间线性关系图；（d）从低浓度到高浓度连续添加蔗糖时的I−t图像，插图显示了200 s至800 s的I−t结果；（e）电流密度与蔗糖浓度的线性拟合图；（f）低浓度下电流密度与蔗糖浓度的线性拟合图。

图6.（a）制备的蔗糖芯片对葡萄糖、乙醇、果糖、谷氨酸、赖氨酸、甲醇、乳酸和丙酮酸的抗干扰性能；（b）随机测试所制备蔗糖芯片的灵敏度偏差；（c）对单枚蔗糖芯片进行重复30天的长期稳定性测试；（d）、（e）真实发酵检测过程、机理示意图；（f）真实发酵液中蔗糖和葡萄糖的同步分析结果。

相关论文信息：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c09446

来源：化学与材料科学