基于界面超分子粘附与吸附机制的功能性酶-金属纳米凝胶，用于高效检测葡萄糖

《Journal of Colloid and Interface Science》：Functional enzyme-metal nanogel for efficient glucose detection using interface supramolecular adhesion and adsorption

纳米葡萄糖检测方法研究 摘要：本研究通过Fe-GOx纳米凝胶与β-CD的协同作用，构建了具有高灵敏度和稳定性的葡萄糖检测系统。采用多聚电解质交联技术制备FeGOx-CDgel纳米凝胶，其中β-CD形成分子级葡萄糖传输通道，Fe3?通过配位作用增强纳米结构稳定性和催化活性。实验表明该纳米凝胶葡萄糖检测灵敏度达285.8 μA·mm?1·cm?2，检测限0.2 μM，酶活性保持率超过90%。其协同催化机制包含：β-CD空腔增强底物结合特异性（Km 74 μM），Fe3?催化H?O?分解产生电子信号，并通过DFT计算验证了Fe-β-CD的强相互作用（-2547.3 kcal/mol）。该成果为便携式生物传感器开发提供了新思路。

　　这项研究提出了一种基于环糊精（β-CD）的多功能纳米凝胶（FeGOx-CDgel），用于改进葡萄糖检测的灵敏度和选择性，并提高其在体内的长期稳定性。研究团队通过结合多种材料和技术手段，构建了一个具有催化功能的纳米结构，该结构能够有效实现葡萄糖的快速检测，为临床诊断和日常健康监测提供了一种新的方法。

葡萄糖是维持人体日常活动的重要能量来源，其在血清中的浓度直接影响人体健康。因此，开发一种精确且快速的葡萄糖检测方法具有重要意义。现有的纳米凝胶检测方法在实际应用中仍面临一些挑战，如灵敏度不足、选择性不高以及在体内稳定性不够理想。为了解决这些问题，研究团队设计了一种新型的纳米凝胶材料，其内部包含葡萄糖氧化酶（GOx）、壳聚糖（CS）和β-CD，这些组分通过交联形成一个三维网络结构。此外，铁离子（Fe）通过与纳米凝胶表面的多个官能团（如氨基、羧基和羟基）结合，进一步增强了纳米凝胶的结构稳定性和催化效率。

该纳米凝胶的设计基于一个级联催化机制，即GOx首先催化葡萄糖氧化生成过氧化氢（H?O?），随后Fe在纳米凝胶中利用H?O?进行进一步的氧化反应，从而产生可检测的电信号。这种级联反应机制显著提高了检测的灵敏度和特异性，使得即使在低浓度下也能实现准确的检测。同时，β-CD的分子空腔结构在纳米凝胶中形成了一个定向的运输通道，有助于葡萄糖和H?O?的高效传输，进一步提升了催化效率和检测性能。

为了验证纳米凝胶的结构和性能，研究团队采用了多种表征技术，包括透射电子显微镜（TEM）、动态光散射（DLS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、粉末X射线衍射（PXRD）、X射线光电子能谱（XPS）、氮气吸附脱附实验（BET）以及1H核磁共振（NMR）。这些技术结果表明，FeGOx-CDgel具有良好的结构稳定性、较高的比表面积和孔隙率，以及高效的电子传输能力。此外，通过电化学测试（如电化学阻抗谱EIS和循环伏安法CV）进一步证实了该纳米凝胶在检测过程中的优异性能。

在实际应用方面，FeGOx-CDgel被用于构建一个电化学生物传感器，该传感器以修饰的玻璃碳电极（GCE）为工作电极。测试结果显示，该传感器在不同葡萄糖浓度下表现出线性响应，并且具有较低的检测限（LOD）和较高的灵敏度。例如，在0.2至1.0 mM的葡萄糖浓度范围内，传感器的灵敏度达到285.8 μA mM?1 cm?2，LOD为0.2 μM。而在1.0至16.0 mM的范围内，灵敏度为205.2 μA mM?1 cm?2，LOD为2.1 μM。这些结果表明，FeGOx-CDgel在低浓度和高浓度范围内都能实现高效、准确的葡萄糖检测。

为了进一步验证该纳米凝胶的选择性和抗干扰能力，研究团队测试了多种可能的干扰物质，如尿酸（UA）和抗坏血酸（AA），结果表明这些物质对检测信号的影响较小。此外，通过不同类型的碳水化合物测试（如D-木糖、果糖和半乳糖），进一步确认了FeGOx-CDgel对葡萄糖的高选择性。在实际样本测试中，该传感器能够区分糖尿病患者、正常血糖患者和频繁低血糖患者的血糖浓度，并且其测量结果与医院检测结果的准确度达到95.48%至99.19%，相对标准偏差在0.81%至4.74%之间，显示出良好的重复性和稳定性。

从催化机制的角度来看，β-CD在纳米凝胶中不仅作为结构支撑，还通过其分子空腔与Fe离子形成稳定的配位结构，促进了葡萄糖和H?O?的运输和催化反应。通过DFT计算，研究团队进一步验证了β-CD与Fe离子之间的结合能，以及H?O?与β-CD之间的相互作用。这些结果表明，β-CD在纳米凝胶中起到了重要的作用，使得整个催化过程更加高效，并且为葡萄糖的检测提供了稳定的信号来源。

此外，研究还探讨了FeGOx-CDgel的重复使用性和长期稳定性。实验结果表明，该纳米凝胶在经过多次检测后仍能保持较高的相对活性，且在储存14天后仍能维持93%的相对活性，显示出良好的稳定性和可重复使用性。这些特性使得FeGOx-CDgel在实际应用中具有更高的可行性，尤其是在点对点（point-of-care）生物传感领域。

总的来说，这项研究提出了一种创新的纳米凝胶材料，通过结合GOx、CS和β-CD，并引入Fe离子的配位作用，构建了一个具有高效催化性能和良好稳定性的葡萄糖检测系统。该系统不仅能够实现高灵敏度和低检测限的检测，还具有良好的选择性和抗干扰能力，为未来的生物传感技术发展提供了新的思路和方向。研究团队的工作展示了如何通过纳米材料的结构设计和功能化，实现更精确、更快速的葡萄糖检测，同时为其他生物分子检测方法的开发提供了借鉴。