武汉大学施晓文《AFM》邻苯二酚水凝胶图案化可实现网络化电子流

【背景知识】

还原-氧化（氧化还原）反应为生物学交流提供了一种独特的方式，该方式与更为熟悉的基于离子的电子方式根本不同。生物学使用这两种方式通过不同的系统（免疫系统与神经系统）进行通讯，并使用不同的机制来控制载流子的流动：可溶性离子的流动是通过结构性屏障（例如膜）和门（例如膜）来控制的跨蛋白质通道），而不溶性电子的流动则通过氧化还原反应网络进行控制。

【科研摘要】

最近，武汉大学施晓文和美国马里兰大学Gregory F. Payne教授团队报道了一种简单的电化学方法将邻苯二酚图案化到柔性多糖水凝胶上，并证明了经图案化的邻苯二酚区域充当通过氧化还原反应介导的电子流的节点。相关论文Hydrogel Patterning with Catechol Enables Networked Electron Flow发表在顶刊《Advanced Functional Materials》上。通过该节点的电子流涉及二元氧化还原状态的切换（氧化和还原），并且该节点的氧化还原状态可以通过被动地观察其光吸收率或通过电化学方式主动切换其氧化还原状态来检测（即“读取”）。此外，该邻苯二酚节点可以通过生物学机制进行切换，这使得所制造的邻苯二酚节点可以嵌入生化氧化还原反应网络中，以促进生物电子通信的扩展。因此，可以预见的是，儿茶酚可以作为晶体管的分子等同物出现，从而可以实现微型化，可部署和可持续的氧化还原相关的生物电子技术。

【图文解析】

1.介绍

在许多情况下，生物电子学旨在通过其离子电学形式与生物学进行交互。 生物学利用这种离子电性态来执行各种功能，包括通过感觉，神经和神经肌肉系统与其周围环境相互作用。从机理上讲，生物学通过这种离子电学方式进行通信，方法是通过使用分离高离子浓度和低离子浓度区域的膜来控制离子电荷的流动，并暂时打开跨膜通道以允许离子流过膜（示意图1a）。从生物电子学的角度来看，可以容易地检测和操纵生物学的离子电流，这使电极成为研究（例如，膜片钳研究），临床诊断（例如，心电图）和紧急治疗（例如，除颤器）的重要工具。

示意图1 a）基于离子的电活动涉及可溶性离子跨膜的受控流动。b）基于电子的氧化还原活性涉及不可溶电子通过还原-氧化（氧化还原）反应的“流动”，这些反应固有地形成了反应网络。

图1b中的示意图和图像显示了阴阳符号的表面图案以及其汉字和英文单词（图案总时间为76分钟）。视觉上，邻苯二酚图案化的区域为棕色，而未图案化的区域为无色。此外，图1c显示图案化的Catechol-Chit0/琼脂糖水凝胶薄膜是透明且柔软的。这种电化学水凝胶图案化方法简单，快速（min-hr），并且不需要反应试剂（儿茶酚除外）。

2.1用电化学方法将邻苯二酚图案写入水凝胶

如图1a所示，作者从壳聚糖和琼脂糖的互穿水凝胶网络开始，该网络已被中和以将质子化的壳聚糖链（称为Chit-H+）转变为中性形式（Chit0）。放入邻苯二酚溶液（邻苯二酚10毫米）中，在膜表面正上方放置一个标准金电极（电极直径2毫米）（估计电极膜距离小于30 µm），并施加氧化电压（+0.6 V对Ag/AgCl），同时在整个表面上移动电极（典型写入速度= 0.35 mm s-1）。在此电压下，邻苯二酚被局部氧化成反应性邻苯二酚，可能通过席夫碱和迈克尔型加合物等键扩散并接枝到薄膜上。泛醇部分的这种共价接枝是不可逆的，并且不能“擦除”书写的图案（即，不能将邻苯二酚-Chit0/琼脂糖区域恢复为Chit0/琼脂糖）。

图1在水凝胶上写儿茶酚图案。a）制备邻苯二酚图案的Chit0/琼脂糖水凝胶薄膜。将两种刺激响应的多糖（琼脂糖和壳聚糖）倒入培养皿中，通过电化学接枝将儿茶酚部分图案化到水凝胶上。b）用邻苯二酚在Chit0/琼脂糖水凝胶膜上进行电化学表面构图。c）邻苯二酚-Chit0/琼脂糖水凝胶薄膜的透明度和柔韧性。

图1b中的示意图和图像显示了阴阳符号的表面图案以及其汉字和英文单词（图案总时间为76分钟）。视觉上，邻苯二酚图案化的区域为棕色，而未图案化的区域为无色。此外，图1c显示图案化的Catechol-Chit0/琼脂糖水凝胶薄膜是透明且柔软的。这种电化学水凝胶图案化方法简单，快速（min-hr），并且不需要反应试剂（儿茶酚除外）。

2.2图案化膜的表征

为了证明邻苯二酚图案的可控性，在Chit0/琼脂糖水凝胶膜上电化学书写了正方形图案（1 cm×1cm），并测量了图案区域的光学性能。通过将Chit0/琼脂糖水凝胶浸入邻苯二酚溶液（10毫米）中，并用电极“笔”进行书写来实现图案化。图2a中的UV-Vis光谱表明，图案化区域的吸光度随该区域中使用的书写笔划数而增加。因此，电化学写入以可控制的方式改变了膜的光学性质。

图2图案化膜的特征。a）紫外光谱表明，图案化的邻苯二酚-Chit0/琼脂糖水凝胶膜的吸光度随笔划次数的增加而增加。b）儿茶酚-Chit0/琼脂糖水凝胶薄膜不导电，但氧化还原活性和扩散介质可通过热力学控制的氧化还原循环反应来切换氧化还原状态。c）使用正交方法读取表面图案。d）电化学读数可检测化学活性的特征，这些特征在空间和数量上也会变化。e）光学（A480）和电化学（iread）读取响应之间的输出相关性。

图2b中的右图显示了这些研究的循环伏安图（CV）。CV表示未图案化的区域显示出与可扩散Fc和Ru3+介体的氧化和还原相关的小电流。可以通过如图2c，d所示的两种正交方法来检测（即“读取”）写入介质的邻苯二酚图案。在这种情况下，用电极笔写出了四个圆点的图案，其修饰程度逐渐增加。

2.3切换氧化还原状态

图案化的邻苯二酚的氧化还原状态可以通过化学和电化学方式进行切换。为了演示化学转换，作者使用不同数量的笔划以电化学方式在水凝胶上书写正方形图案，将各个邻苯二酚图案的水凝胶放置在含有抗坏血酸盐溶液（2 mm）的比色皿中，并记录随着时间的变化。图3a的左图显示了在抗坏血酸培养期间，图案化的Catechol-Chit0/琼脂糖膜的吸光度随时间降低，而未图案化的Chit0/琼脂糖膜的吸光度显示吸光度变化最小。

图3切换氧化还原状态。a）通过抗坏血酸处理化学转换儿茶酚-Chit0/琼脂糖氧化还原状态会产生还原（QH2）状态，并且可以通过监测480 nm处的吸光度的下降来被动地观察到这种状态变化。b）电化学转换表明，接枝的邻苯二酚可以在其氧化态和还原态之间反复转换。

2.4读取图案化邻苯二酚的氧化还原状态

除了检测不可逆地写入薄膜的邻苯二酚的图案（图2）之外，还可以检测该邻苯二酚的氧化还原状态的可逆转换。为了演示光学检测图案化邻苯二酚区域的氧化还原状态，作者从Chit0/琼脂糖水凝胶开始，该水凝胶由两个具有相同修饰程度的圆点图案化，并局部设置 这些点的氧化还原状态通过介导的电化学反应变为氧化（Q）态或还原（QH2）态，如图4a所示。

图4读取图案化邻苯二酚的氧化还原状态。a）可以通过介导的电化学来设置嫁接的邻苯二酚部分的氧化还原状态。b）正交光学和电化学读取模态可检测氧化还原状态的差异：设置为氧化状态的点的吸光度（A480）高于设置为还原状态的点，而设置为其还原点的氧化电流（iread）氧化态低于设定为还原态的点。

图4b的最左侧示意图显示，最初，左点设置为氧化（Q）状态，而右点设置为还原（QH2）状态。图4b左上图的光学扫描显示可以检测到两点图案（未图案化区域中的A480较小，而邻苯二酚图案化区域中的A480较大），并且点的氧化还原状态可以通过较高的分辨度来区分。设置为氧化状态的点的A480（Q对QH2）。

2.6联网电子流

图5a显示了我们对通过邻苯二酚图案化的Chit0/琼脂糖水凝胶薄膜介导的电子流的网络结构的假设。这两个介体充当节点（Fc+/Fc和Ru3+/Ru2+），可以通过施加电压控制电子流的方向与电极可逆地交换电子。

图5仿真和实验表明网络电子流。a）介导电子通过Q/QH2节点的电化学网络结构示意图。b）网络（Catechol-Chit0/琼脂糖）和仅包含介体（无儿茶酚）的对照（Chit0/琼脂糖）的模型仿真（Sim）和实验结果（Exp）。c）在氧化方向上的扫描显示大量电子从Q/QH2节点通过Fc+/Fc节点转移。d）假设的非网络系统的示意图，其中Q/QH2节点可以直接与电极交换电子。e）在单个还原-氧化循环中比较网络系统和非网络系统之间行为的模拟。f）模型仿真与实验结果的比较表明，介导的电子流过Q/QH2节点的网络模型在质量上符合协议：对于Q/QH2节点的状态变化观察到较大的滞后现象。

2.7酶氧化还原网络

除了与电化学介质相互作用外，图案化的邻苯二酚还可以用作生物学相关的氧化还原网络中的一个节点。作者通过创建简单的酶网络并演示图案化的邻苯二酚区域和生物学相关的氧化还原节点（还原剂和氧化剂）之间的电子交换来说明这种能力。在图6a所示的第一个演示中，使用葡萄糖作为最终电子源，并使用葡萄糖脱氢酶（GDH）作为连接点（即边缘），以电子方式对Q/QH2节点进行电子充电。催化电子从葡萄糖到中间NAD+/NADH节点的转移。

图6将Q/QH2节点集成到酶氧化还原网络中 a）示意图和热力学图显示了葡萄糖脱氢酶（GDH）对Q/QH2节点的酶促电荷。b）示意图和吸光度测量表明，可以通过光学方式被动观察Q/QH2节点的酶促电荷。c）孵育30分钟后的电化学读数涉及Q/QH2的电化学放电。d）电化学读数期间电荷转移的定量。e）示意图和热力学图说明了辣根过氧化物酶（HRP）对Q/QH2节点的酶促释放。f）各种处理孵育30分钟后的电化学读数。g）电化学读数期间电荷转移的定量。

参考文献：doi.org/10.1002/adfm.202007709

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