谷胱甘肽是重要的生物分子，可以指示多种疾病。研究人员已经开发了一种使用酶促生物燃料电池的自供电检测溶液中谷胱甘肽水平的方法。该装置由葡萄糖氧化酶阳极和胆红素氧化酶阴极组成。对于谷胱甘肽的检测，对胆红素氧化酶的抑制导致电流和功率输出的可测量的降低。报告的方法的检测极限为0.043 mM，线性范围最大为1.7 mM。能够检测一定范围的浓度对于评估患者的健康状况很有用。

 相关论文以题为“     A Self-Powered Biosensor for the Detection of Glutathione    ”与北京时间2020年09月03号发表在《     Biosensors    》上。

 谷胱甘肽（GSH）是在生命的所有域中自然产生的三肽。超过130年的研究一直集中在这种化合物上，并且已经发现许多涉及GSH的分子过程可以在各个水平上帮助排毒和调节细胞寿命。 谷胱甘肽是一种常见的生物标志物，可用于多种疾病的检测和诊断。虽然仅使用谷胱甘肽浓度无法诊断出任何疾病，但仍可以将其用作可能的健康问题的指标。当谷胱甘肽水平显着升高时，已表明被诊断患有神经退行性疾病的患者的机会增加。随着这些疾病病例的增加，能够准确地检测和定量生物样品中的谷胱甘肽是有益的。  随着时间的流逝，还有可能采取诊断措施来确定帕金森氏病或阿尔茨海默氏病等疾病的进展。

 荧光和比色方法可用于检测谷胱甘肽最常见的，通常使用的纳米颗粒或量子点。 研究人员发现了一种可使用智能手机平台对人血清中的谷胱甘肽进行荧光检测的方法。他们的设备使用两种荧光探针，碳点和Au纳米颗粒，产生两种颜色，蓝色和橙色。金纳米粒子的荧光被铜离子猝灭，但是在谷胱甘肽的存在下荧光得以恢复。使用智能手机应用程序上的颜色识别应用程序来测量荧光的比率。尽管这些报道的方法具有进行非常灵敏的测量的潜力，但它们需要高度可控的探针浓度，复杂的溶液制备以及黑暗的环境（用于荧光）。  他们还需要昂贵的仪器和技术培训，这限制了在某些地方的使用。消除这些要求的便携式方法对于资源有限的区域将是有利的。通过使用自供电酶生物传感器，可以解决其中的一些局限性。

 谷胱甘肽已显示出抑制漆酶的作用，漆酶是用于减少氧气的一种常用的多铜氧化酶。 研究人员选择研究漆酶以及其他两种含铜的氧还原酶，胆红素氧化酶（BOx）和酪氨酸酶，以用于谷胱甘肽传感器。在本文中，研究人员证实了这种抑制作用，并将BOx掺入能够检测GSH的氧还原电极中。研究人员将该电极与葡萄糖氧化酶（GOx）阳极结合在一起，制成了一个自供电系统，可以检测溶液中的谷胱甘肽浓度。正如看到的图1中，生物传感器是一种使用葡萄糖和氧气作为燃料的生物燃料电池。  由于对生物阴极的抑制，该装置产生的电流随着谷胱甘肽的增加而减少，从而可以确定谷胱甘肽的浓度。

 图1. 用于检测谷胱甘肽的自供电酶生物传感器的示意图。

    谷胱甘肽的生物电催化反应  

 为了评估谷胱甘肽对多铜氧化酶的抑制作用，研究人员使用相同的方法固定了每种酶（BOx，漆酶和酪氨酸酶）。 red氧化还原聚合物用于介导电子从电极转移到酶。使用交联剂使酶和聚合物结合，在电极上形成薄膜。在图2中，显示了BOx电极在三种不同条件下的循环伏安数据。从溶液中清除O 2时，CV仅显示聚合物上on位的氧化还原反应（红线）。当O 2如果存在（黑线），则发生氧气还原，如相对于SCE，低于0.4 V的还原电流增加，以及oxidation氧化峰消失。  在存在谷胱甘肽和O 2的情况下，BOx被抑制，还原电流显着降低（蓝线）。从该数据可以得出结论，BOx电极可用于基于抑制的谷胱甘肽检测。

 图2. 在空气（黑线），N 2（红线）和含谷胱甘肽的空气（蓝线）中，pH 7.4的0.1 M磷酸盐缓冲液中胆红素氧化酶（BOx）/ PVI-Os聚合物电极的代表性循环伏安法。用铂对电极以10 mV / s收集数据。

 因为有几种氧还原酶被谷胱甘肽抑制，所以研究人员评估了三种类型的电极以确定哪种电极对谷胱甘肽具有最高的敏感性。 图3图中显示了在0.1 M磷酸盐缓冲液（pH 7.4）中，当BOx电极的谷胱甘肽浓度增加时，在0.25 V vs. SCE下的电流响应。当用BSA代替BOx时，电极不再显示出对谷胱甘肽添加的反应。两幅图中的黑线代表BOx电极的数据。电流密度随着谷胱甘肽浓度的增加而降低，并且对葡萄糖（自供电传感器中阳极的基质）无响应。用BSA代替BOx时，电流密度显着减小，并且对谷胱甘肽无反应（图3中的蓝线）一种）。每次注入后允许电流稳定，并记录电流。通过将每种浓度下的电流除以初始电流来对电流数据进行归一化。将三个BOx电极的归一化结果取平均值，如图4所示（黑色数据点）。如所预期的，电流密度随着谷胱甘肽浓度的增加而降低。还包括三个BSA修饰电极的平均数据（蓝色数据点），以表明在电极上没有BOx的情况下未观察到电流变化。用漆酶或酪氨酸酶修饰的电极重复安培实验，以确定哪种酶电极对谷胱甘肽最敏感。漆酶的敏感性最高，胆红素氧化酶的敏感性略低，而酪氨酸酶的敏感性则显着降低。  使用漆酶的主要缺点是，它在较低pH的溶液中效果最好，这在研究人员的生物燃料电池传感器中需要使用膜分隔器。因为BOx具有良好的灵敏度并且可以在中性pH下运行，所以研究人员选择将其用于阴极。

 图3. 四种不同条件下的电流数据。在具有铂对电极的pH 7.4 0.1 M磷酸盐缓冲液中，在0.25 V vs. SCE下收集数据。黑色箭头表示注射谷胱甘肽（每次注射0.1 M），橙色箭头表示注射葡萄糖（每次注射25 mM）。（A）黑线表示BOx电极的数据，蓝线表示BSA涂层的电极。（B）黑线表示BOx电极的数据，红线表示葡萄糖氧化酶（GOx）电极的响应。

 图4. 在pH 7.4的0.1 M磷酸盐缓冲液中，不同谷胱甘肽浓度下的归一化电流密度变化。BOx修饰电极的平均数据显示为黑色，BSA涂层电极显示为红色。

    结论  

 研究人员成功开发并测试了一种使用生物燃料电池检测谷胱甘肽的自供电方法。胆红素氧化酶被谷胱甘肽抑制。 虽然BOx对谷胱甘肽的敏感性不如漆酶，但其在中性pH下运行的能力消除了对膜分离器的需求，从而简化了设备。在阴极上使用胆红素氧化酶，在阳极上使用葡萄糖氧化酶显示出在43至2.0 mM范围内对血清样品中谷胱甘肽浓度变化的线性响应。  这种方法消除了对高度受控条件的要求，并且不需要大型，昂贵的仪器。

 谷胱甘肽的抑制机理目前未知。初步结果表明存在非竞争性抑制作用，但未来的工作旨在阐明其机理以及用其他还原性氨基酸测试传感器以评估选择性。 未来的工作还将针对研究传感器的稳定性。初步结果显示，前两个小时的电流输出恒定，而12小时后电流输出降低了约20％。结果表明该传感器在测试样品所需的时间内是稳定的，但是需要更多的实验来证明这一点。  最后，为了最大程度地减少质量迁移的影响，研究人员将测试用磷酸盐缓冲液稀释的血清样品，同时仍保持适当的线性范围。