一种导电复合水凝胶涂层及其在仿生味觉传感器中的应用的制作方法

本发明涉及电化学传感器的，具体涉及一种导电复合水凝胶涂层及其在仿生味觉传感器中的应用。

背景技术：

1、甜味作为食品风味的重要组成部分，在提升饮料口感和消费者接受度方面发挥着关键作用。饮料中富含葡萄糖、果糖和蔗糖等甜味物质，其含量直接决定了产品的感官品质和市场竞争力。传统的甜味检测方法主要包括感官评价、仪器分析和电子舌技术，但感官评价存在主观性强、重复性差的问题，仪器分析（如高效液相色谱）操作复杂、耗时较长，而电子舌技术则难以实现对特定味觉物质的高选择性识别。

2、近年来，仿生味觉传感器因其高灵敏度和特异性识别能力而受到广泛关注，其基本原理是将甜味受体或其活性结构域作为敏感元件，通过物理或化学方法固定在电极表面，当目标甜味分子与受体结合时引发构象变化或电荷转移，从而将生物识别事件转化为可检测的电化学信号。然而，这些传感器在面向饮料等复杂实际样品检测时，仍面临严峻挑战：饮料基质中的蛋白质、多酚等大分子物质易在电极表面发生非特异性吸附，干扰检测信号的准确性；温度、ph值等环境波动易导致敏感元件活性降低，影响传感器的稳定性；此外，传感器涂层若在使用或储存过程中发生物理损伤，其结构完整性和信号响应能力将遭到破坏，进而缩短传感器的有效使用寿命。因此，如何在保持传感器高灵敏度和特异性的同时，有效提升其抗污性能、环境耐受性和使用寿命，成为仿生味觉传感器走向实际应用亟需解决的关键问题。

3、水凝胶作为一种具有三维网络结构的高含水材料，其机械性能可调、生物相容性优异，能够为敏感元件提供模拟生物组织的微环境，被认为是解决上述问题的理想涂层材料。在自愈合水凝胶材料方面，qin等人使用明胶（gel）和氧化羧甲基纤维素钠通过动态席夫碱键合成双网络水凝胶，经硫酸铵溶液浸泡增强后，该水凝胶被制成应变传感器用于监测人体关节运动（qin x., zhao z., deng j., et al. tough, conductive hydrogelsbased on gelatin and oxidized sodium carboxymethyl cellulose as flexiblesensors. carbohydrate polymers, 2024, 335: 121920.）。

4、然而，将上述水凝胶材料应用于仿生味觉传感器仍存在诸多不足。上述明胶复合水凝胶体系的设计和优化目标均为应变响应性能，并未涉及电化学仿生味觉传感器中生物识别元件的固定与信号转导，该水凝胶体系虽经盐浸处理引入离子导电性，但离子导电机制与电化学传感器所需的界面电子传递存在本质差异，作为电极修饰层时，水凝胶的高亲水性仍会阻碍界面电子传递，导致电化学信号衰减。

5、因此，亟需开发一种能够应用于仿生味觉传感器的复合水凝胶涂层，该涂层应将水凝胶体系引入味觉传感场景，同时解决其作为电极修饰层时导电性不足的问题，并实现完整甜味受体活细胞在涂层中的有效包埋，从而在保持特异性分子识别能力的同时，赋予传感器优异的抗污性能、自愈合能力和高灵敏度电化学响应，满足复杂实际样品中甜味物质准确检测的应用需求。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种导电复合水凝胶涂层及其在仿生味觉传感器中的应用，所述导电复合水凝胶涂层将dcmc/gel水凝胶体系引入味觉传感场景，通过材料设计解决其作为电极修饰层时导电性不足的问题，并实现完整甜味受体活细胞在涂层中的有效包埋，从而在保持特异性分子识别能力的同时，赋予传感器优异的抗污性能、自愈合能力和高灵敏度电化学响应，满足复杂实际样品中甜味物质准确检测的应用需求。

2、为实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供了一种导电复合水凝胶涂层，包括水凝胶基体，分散于所述水凝胶基体中的金属有机框架（mof），以及包埋于所述水凝胶基体中的生物识别元件；所述水凝胶基体由双醛羧甲基纤维素（dcmc）与明胶经动态共价交联形成；所述生物识别元件包括表达甜味受体t1r2/t1r3的人胚肾（hek）293细胞。

4、金属有机框架材料为金属节点与有机配体通过配位键自组装形成的晶态多孔材料，兼具结构多孔性、高比表面积和电化学活性等特点；明胶是胶原蛋白经温和水解得到的天然高分子，其结构与功能可高度模拟天然细胞外基质（ecm）中的胶原蛋白，为细胞提供黏附活性位点，是ecm模拟支架的理想原料；双醛羧甲基纤维素是羧甲基纤维素（cmc）经高碘酸钠氧化改性制得，其分子链上引入的醛基可与明胶等含氨基物质形成动态亚胺键，从而构建具有自愈合特性的多糖基质，并为水凝胶提供力学支撑；由此构成的双醛羧甲基纤维素与明胶混合凝胶体系，能够协同模拟细胞生长所需的体内微环境，其动态共价交联网络赋予材料自愈合能力，高亲水表面则有助于抑制疏水性物质非特异性吸附，因而特别适用于电化学仿生传感器中细胞敏感元件的封装与载体构建；甜味受体的捕蝇草结构域通过大肠杆菌中异源表达获得，能够特异性识别甜味分子并引起信号传导，在此基础上，将表达有甜味味受体的hek293细胞被包埋于上述凝胶体系中，能够制备得到兼具导电性、生物相容性、动态自愈合性与特异性分子识别功能的多功能复合水凝胶涂层。

5、优选地，所述金属有机框架通过静电吸附作用分散于所述水凝胶基体中。

6、优选地，所述动态共价交联由双醛羧甲基纤维素分子链上的醛基与明胶分子链上的氨基之间形成的席夫碱键构成。

7、优选地，所述水凝胶基体中双醛羧甲基纤维素与明胶的质量比为1:(4~8)。

8、优选地，所述水凝胶基体中双醛羧甲基纤维素与明胶的质量比为1:6。

9、优选地，所述金属有机框架为铜基金属有机框架（cu-mof）。

10、优选地，所述铜基金属有机框架由铜离子与2,3,6,7,10,11-六氨基三苯六酸盐配位形成。

11、优选地，所述复合水凝胶涂层在切割后于10分钟内自愈合，自愈合后的信号响应恢复至原始信号响应值的95%以上。

12、优选地，所述复合水凝胶涂层对牛血清白蛋白的非特异性吸附的信号抑制率不高于5%。

13、第二方面，本发明还提供了一种导电复合水凝胶涂层的制备方法，包括如下步骤：将双醛羧甲基纤维素与明胶混合，通过动态共价键交联，得到水凝胶预凝胶；将所述水凝胶预凝胶、金属有机框架以及表达甜味受体t1r2/t1r3的人胚肾293细胞混合，得到所述复合水凝胶涂层。

14、优选地，所述双醛羧甲基纤维素通过如下步骤制备得到：将羧甲基纤维素与高碘酸钠在ph 2~4、30~40℃条件下避光反应4~8小时，并经透析纯化后冷冻干燥。

15、优选地，将羧甲基纤维素配制成浓度为2%(w/v)的溶液，高碘酸钠的浓度为0.11g/ml。

16、优选地，所述双醛羧甲基纤维素与明胶混合时，双醛羧甲基纤维素溶液的浓度为2%(w/v)，明胶溶液的浓度为4%(w/v)，两者体积比为1:3。

17、优选地，所述交联反应在37℃条件下进行。

18、优选地，所述水凝胶预凝胶、金属有机框架以及表达甜味受体t1r2/t1r3的人胚肾293细胞混合时，三者的体积比为3:(2~3):1。

19、优选地，所述混合在室温条件下超声处理5~10 min。

20、第三方面，本发明还提供了一种仿生味觉传感器，包括工作电极、参比电极和对电极，所述工作电极的表面负载有第一方面所述的复合水凝胶涂层。

21、优选地，所述工作电极为氧化铟锡电极，所述参比电极为银/氯化银电极，所述对电极为铂电极。

22、优选地，所述工作电极的表面经预处理：将氧化铟锡涂层玻璃依次用丙酮、甲醇和去离子水分别超声清洗，用氮气吹干。

23、优选地，所述复合水凝胶涂层通过将5 μl预凝胶滴加至工作电极表面、室温下静置成胶的方式负载于工作电极表面。

24、第四方面，本发明还提供了一种采用第三方面所述的仿生味觉传感器定量检测甜味物质的方法，包括如下步骤：

25、将所述仿生味觉传感器的工作电极浸入电化学探针溶液中，测定初始电流值；

26、取出所述工作电极，冲洗后干燥，向工作电极表面滴加已知浓度的甜味物质标准溶液，孵育后再次冲洗所述工作电极表面，测定结合后电流值，计算所述结合后电流值与所述初始电流值的差值作为电流变化值；

27、以所述甜味物质标准溶液的浓度为横坐标，所述电流变化值为纵坐标，进行线性拟合，得到标准曲线；

28、将待测样品溶液滴加至所述工作电极表面，孵育后冲洗所述工作电极表面，测定样品电流值；计算所述样品电流值与所述初始电流值的差值，并代入所述标准曲线，得到所述待测样品中甜味物质的浓度。

29、优选地，所述电化学探针溶液为铁氰化钾溶液。

30、优选地，所述铁氰化钾溶液的浓度为5 mm。

31、优选地，所述电化学探针溶液为含有5 mm铁氰化钾和0.1 m氯化钾的水溶液。

32、优选地，所述测定采用差分脉冲伏安法进行。

33、优选地，所述差分脉冲伏安法的扫描范围为-0.2 ~ 0.6 v。

34、优选地，所述甜味物质标准溶液的滴加体积为5 μl。

35、优选地，所述孵育是在室温下孵育35 min。

36、优选地，所述待测样品为饮料或烟草制品。

37、优选地，所述待测样品来源于饮料。

38、优选地，所述待测样品来源于烟草制品。

39、本发明的有益效果在于：

40、本发明通过将dcmc/gel动态双网络水凝胶引入仿生味觉传感领域作为电极涂层，利用其三维网络结构和动态席夫碱键交联特性，在电极表面形成稳定的亲水化层以有效抑制蛋白质等大分子的非特异性吸附，并在涂层受损时通过动态共价键重组实现快速自愈合，从而显著提升了传感器在复杂样品检测中的准确性和使用寿命；同时，通过cu-mof的引入解决了水凝胶涂层导电性不足的瓶颈，实现了高灵敏度的电化学信号响应；在此基础上，通过将表达完整甜味受体t1r2/t1r3的hek293活细胞包埋于水凝胶三维网络中，为细胞提供了仿生的体内微环境以维持受体活性，相比于直接固定受体蛋白片段的现有方案，能够更真实地模拟天然味觉受体的识别与信号转导功能。由此，cell/dcmc/gel/cu-mof复合材料设计使本发明同时实现了优异的抗污性能、自愈合能力、高灵敏度电化学响应和特异性甜味分子识别功能，能够满足饮料等复杂实际样品中甜味物质准确检测的应用需求。