在健康管理、制药、合成生物及食品工业等领域，葡萄糖含量的精准监控尤为重要。非侵入式生物传感器因其通过测量生化标志物来获得连续、实时的生理信息的潜力而备受关注，例如用于监测生物体液中最重要的标志物之一——葡萄糖。尽管一些光学传感材料被用于无创的连续血糖监测（CGM）设备，但表面或局部等离子体传感材料由于灵敏度不高和体积太大而很少用于CGM。2024年11月21日，华中科技大学生命科学与技术学院刘钢教授联合量准公司黄丽萍博士、南京师范大学李亚楠研究员及南京中医药大学尹少平讲师，在 Advanced Science 期刊发表了题为：MXene−Graphene Oxide Heterostructured Films for Enhanced Metasurface Plasmonic Biosensing in Continuous Glucose Monitoring 的研究论文。该研究开发了一种全新的实时、可靠且灵敏的葡萄糖检测技术，为葡萄糖在线监测开辟了新途径，推动了MGMSPR光学传感器在医疗健康和工业领域的广阔应用前景。MGMSPR芯片是一种创新的无标记、可实时监测的光学生物传感器，通过独特的超表面纳米杯阵列结构，能够在纳米尺度上操控光波传播，从而有效检测各种分子。基于银镜增强的强反射原理，将光束集中在芯片表面，从而形成适合小分子检测的MetaSPR表面。研究团队为了进一步提升灵敏度，MGMSPR芯片集成了通过混合干燥工艺制作的3D MXene与氧化石墨烯（MG）薄膜，作为电子传递载体放大局域电场效应，同时加入高表面积二维材料以增强分子吸附。芯片的3D多孔杂化膜具有可调节的孔径结构，有利于葡萄糖氧化酶（GOD）稳定固定在膜内，使MGMSPR成为高灵敏度和稳定的葡萄糖检测传感器。此外，MGMSPR芯片被集成到微流控系统中，通过自动取样系统可同时实现人体汗液葡萄糖的实时监测以及工业发酵培养液中的葡萄糖浓度的过程分析。MGMSPR光学传感器的光学响应、灵敏度和重复性对分子监测至关重要。研究人员设计开发了一种具有镜面反射增强的MetaSPR芯片对低浓度蔗糖溶液具有超高折射系数的检测灵敏度，适合小分子的高精度检测。研究团队利用MG材料膜具有高的表面积和高灵敏的折射率的特性提升进一步提升MGMSPR传感器的光学性能。优化后的3D MG增强芯片在蔗糖检测中表现出36%的信号增强，检测限显著降低，并在IgG抗体实时检测中显示出6.7倍的灵敏度提升。此外，该传感器还成功检测到雷帕霉素-FKBP12的快速分子动力学相互作用，展示出优异的小分子检测能力，突显了MGMSPR在分子相互作用研究中的应用潜力。为了验证MGMSPR传感器在人体汗液和工程菌发酵过程分析技术（PAT）中的实时葡萄糖监测能力，研究团队将MGMSPR芯片与微流控系统进行集成。微流控技术指的是使用微管道处理或操纵微小流体的系统使得仪器小型化和便携化。微流控技术因其高灵敏度、简化的光学系统、低仪器成本、便携性、最大限度地减少昂贵样品的消耗以及增强的实时监测而引起越来越多的关注。实现了在人工汗液中10分钟内的快速超灵敏葡萄糖浓度检测，且与血糖仪测试的浓度结果一致（r=0.943）。此外，对MGMSPR传感器特异性进行了验证，发现样本中的乳酸、尿酸等其他汗液代谢物对葡萄糖的检测没有明显干扰。同时，在PAT应用中，MGMSPR传感器可有效监测发酵过程中培养基里面葡萄糖浓度的变化，与离线酶反应仪器检测结果一致性良好（r=0.895）。该研究成果推动了MGMSPR光学传感器在医疗健康和工业领域的广阔应用前景，提供了一种全新的实时、可靠且灵敏的葡萄糖检测技术，为葡萄糖在线监测开辟了新途径。图3. MGMSPR传感器检测汗液和PAT中的葡萄糖
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图4. 量准WeSPR One Auto（左）和Mini（右）分子相互作用仪产品图
量准WeSPR™ One Auto和Mini仪器基于纳米超表面等离子共振（MetaSPR）技术，无需标记，即可实时分析多种生物分子之间的相互作用以及不同分子的浓度检测，可用于抗体开发、药物发现、细胞治疗、基因治疗、疫苗开发、合成生物学、体外诊断等众多研究领域。WeSPR™ One Auto和Mini 操作简便、引导式软件设计、帮助加速生物医药研发，可提供高质量的实时在线浓度分析、亲和力，动力学和活性数据。生物样本兼容性高，可兼容抗原/抗体、蛋白/多肽、核酸、提物、病毒/脂质体/外泌体、细胞/培养基上清、血清/血浆等样本，是一款性价比极高的桌面式、个人型实验分析仪器。
华中科技大学生命科学与技术学院2020级博士生李睿为论文的第一作者，刘钢、黄丽萍、李亚楠和尹少平为论文通讯作者。华中科技大学生命科学与技术学院为第一完成单位。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北省JD项目、中央高校基本科研业务费等项目的支持。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202410376
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