石墨烯 生物傳感器：【綜述】石墨烯生物傳感器：病原體的檢測

原標(biāo)題：【綜述】石墨烯生物傳感器：病原體的檢測

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今年以來，新冠肺炎（COVID-19）疫情在全球范圍迅速蔓延，雖然在中國已得到了有效控制，但在北美和東南亞國家仍然十分嚴(yán)重，并呈現(xiàn)控制-反彈現(xiàn)象。這對全人類的身心健康、社會(huì)秩序、經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了嚴(yán)重影響。截至北京時(shí)間7月30日，據(jù)世界衛(wèi)生組織發(fā)布的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全球累計(jì)新冠肺炎確診病例超過1655萬例，死亡人數(shù)達(dá)65萬，并且這些數(shù)據(jù)仍在不斷攀升。在控制病原體引發(fā)的流行病傳播過程中，能否在第一時(shí)間實(shí)現(xiàn)高效檢測和有效隔離是阻止疫情擴(kuò)散的關(guān)鍵。因此，針對病原體（細(xì)菌、病毒等）發(fā)展有力的檢測技術(shù)顯得十分重要。

隨著納米科學(xué)和納米技術(shù)的快速發(fā)展，利用納米材料輔助生物傳感器以提升檢測性能備受關(guān)注。納米石墨烯具有優(yōu)良的光、電理化特性，在過去的十多年中，基于石墨烯的光學(xué)、電化學(xué)生物傳感器得到了大力發(fā)展。石墨烯生物傳感器具有檢測對象廣、功能可調(diào)、信號轉(zhuǎn)換方便、靈敏度高等優(yōu)勢，在病原體檢測方面已被逐漸研究和報(bào)道。其傳感原理和相關(guān)技術(shù)在其它類型生物傳感器的構(gòu)建中亦可借鑒。

近日， 湘潭大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 馮波教授團(tuán)隊(duì)和 長沙理工大學(xué)化學(xué)與食品工程學(xué)院 卿志和副教授，基于其在生化傳感方面的研究基礎(chǔ)，針對石墨烯生物傳感器在病原體檢測方面的研究進(jìn)展，在國際生物傳感領(lǐng)域頂級期刊 Biosensors and Bioelectronics(IF: 10.257) 上發(fā)表了題為“ Graphene biosensors for bacterial and viral pathogens”的綜述文章。該綜述總結(jié)了 用于病原體（細(xì)菌和病毒）檢測的石墨烯生物傳感器的發(fā)展，主要包括納米石墨烯材料的制備、性質(zhì)和生物功能化修飾，以及石墨烯生物傳感器的構(gòu)建及其工作機(jī)理、檢測性能等，并討論了該領(lǐng)域目前面臨的的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向，以促進(jìn)病原體高效檢測技術(shù)的發(fā)展。

圖1、石墨烯生物傳感器的功能化及其對病原體的檢測技術(shù)。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金、湖南省自然科學(xué)基金、湖南省教育廳研究基金的資助。文章第一作者為湘潭大學(xué)研究生 蔣子欣，通訊作者為湘潭大學(xué) 馮波教授、 卿太平博士，以及長沙理工大學(xué) 卿志和副教授。

Graphene biosensors for bacterial and viral pathogens

Zixin Jiang, Bo Feng, Jin Xu, Taiping Qing, Peng Zhang, Zhihe Qing

Biosens. Bioelectron., 2020, 10.1016/j.bios.2020.

導(dǎo)師介紹

卿志和

馮波

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責(zé)任編輯：

石墨烯 生物傳感器：國外研究人員研發(fā)石墨烯生物傳感器監(jiān)控食品的新鮮度和安全性

　　6月29日消息，據(jù)外媒報(bào)道，國外研究人員將他們新的打印傳感器浸入金槍魚肉湯中，觀察讀數(shù)。結(jié)果證明，用高分辨率的氣溶膠噴射打印機(jī)在柔性聚合物膜上打印并經(jīng)過調(diào)整以測試組胺、變應(yīng)原和變質(zhì)的魚和肉的指示劑的傳感器，可以檢測到百萬分之3.41的組胺。
究人員正在使用氣溶膠噴射印刷技術(shù)來創(chuàng)建這些石墨烯生物傳感器，這些傳感器可以檢測出組胺，一種變應(yīng)原和變質(zhì)的魚和肉的指示劑。
　　美國食品和藥物管理局（US Food and Drug Administration）已將魚類中的組胺標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為百萬分之50，使傳感器的靈敏度足以跟蹤食品的新鮮度和安全性。
　　使傳感器技術(shù)成為可能的是石墨烯，這是一種碳蜂窩，只是一個(gè)原子厚的超級材料，并且以強(qiáng)度、導(dǎo)電性、柔韌性和生物相容性著稱。使石墨烯在一次性食品安全傳感器上實(shí)用是一種低成本的氣溶膠噴射印刷技術(shù)，其精確度足以創(chuàng)建電化學(xué)傳感器檢測小分子（例如組胺）所需的高分辨率電極。
　　愛荷華州立大學(xué)機(jī)械工程學(xué)副教授、該研究項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人之一喬納森·克勞森說：“這一高分辨率至關(guān)重要，一般來說，我們越靠近這些電極指，這些生物傳感器的靈敏度就越高。”
　　克勞森和其他項(xiàng)目負(fù)責(zé)人-愛荷華州立大學(xué)機(jī)械工程副教授卡門·戈麥斯（Carmen Gomes）、美國伊利諾伊州埃文斯頓市西北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)教授Walter P. Murphy和Mark Hersam最近在《2-D Materials》雜志在線發(fā)表的一篇論文中報(bào)道了他們的傳感器發(fā)現(xiàn)。美國國家科學(xué)基金會(huì)、美國農(nóng)業(yè)部、空軍研究實(shí)驗(yàn)室和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院均對該項(xiàng)目提供了支持。
　　該論文描述了如何將石墨烯電極以氣溶膠方式印刷在柔性聚合物上，然后通過將組胺抗體與石墨烯化學(xué)結(jié)合而轉(zhuǎn)變?yōu)榻M胺傳感器。
　　Gomes說，組胺會(huì)阻止電子轉(zhuǎn)移并增加電阻，電阻的變化可以由傳感器測量和記錄。這種組胺傳感器不僅適用于魚類，因?yàn)槭澄镏械募?xì)菌會(huì)產(chǎn)生組胺，因此，它可以很好地表明食物的保質(zhì)期。”
　　研究人員認(rèn)為，該概念也可以檢測其他種類的分子。他們在文章中寫道：“除了這里介紹的組胺案例研究之外，（氣溶膠噴射印刷）和功能化過程可能還可以推廣到各種傳感應(yīng)用，包括環(huán)境毒素檢測、食源性病原體檢測、可穿戴健康監(jiān)測和健康診斷。”
　　研究人員寫道，例如，通過切換與打印傳感器相連的抗體，它們可以檢測沙門氏菌、癌癥或禽流感等動(dòng)物疾病。
　　克勞森（Claussen）、赫爾薩姆（Hersam）和其他合作者（請參見側(cè)欄）通過修改氣溶膠噴射印刷的傳感器以檢測細(xì)胞因子或炎癥標(biāo)記物，證明了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。ACS Applied Materials＆Interfaces最近發(fā)表的一篇論文中報(bào)道了這些傳感器，它們可以監(jiān)測牛的免疫系統(tǒng)功能，并在早期檢測出致命的和傳染性的副結(jié)核病。
　　從事印刷石墨烯研究已有多年的克勞森說，這些傳感器的另一個(gè)特點(diǎn)是使其非常有用：它們不需要花費(fèi)很多錢，并且可以擴(kuò)大規(guī)模以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
　　克勞森（Claussen）和戈麥斯（Gomes）對食品行業(yè)以及食品安全測試有一定的了解。克勞森（Claussen）是納米科技公司（NanoSpy Inc.）的首席科學(xué)官，戈麥斯（Gomes）是愛荷華州立大學(xué)研究園的一家新興公司，向食品加工公司出售生物傳感器，是一家新興公司。
　　他們說，該公司正在獲得這項(xiàng)新的組胺和細(xì)胞因子傳感器技術(shù)的許可，畢竟，這是他們在商用傳感器中尋找的東西，這是一個(gè)廉價(jià)、可擴(kuò)展的生物傳感器平臺(tái)。
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石墨烯 生物傳感器：基于石墨烯的生物傳感器的技術(shù)研究

摘要：

生物傳感器是一種可以將生物學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號的分析設(shè)備,與傳統(tǒng)傳感器相比具有成本低、特異性高等不可比擬的優(yōu)勢,因此被視為檢測分析領(lǐng)域的重要技術(shù)。石墨烯作為一種新型二維納米材料,因其在電學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能等方面的優(yōu)良性能引起了研究者們的廣泛關(guān)注。石墨烯與生物傳感器的結(jié)合為高靈敏度、高選擇性的探測和分析生物分子提供了可能。本文以還原氧化石墨烯材料為基底,以乙酰膽堿酯酶作為分子識(shí)別元件,以石英晶體微天平為換能器,制備了用于探測DMMP氣體的石墨烯生物傳感器,并對傳感器的敏感特性,及工藝參數(shù)對其性能的影響進(jìn)行了探究,主要內(nèi)容如下:(1)首先,采用吸附法作為乙酰膽堿酯酶的固定化方法,研究了石墨烯基底對傳感器性能的影響,并研究了該固定化方法制備的傳感器的重復(fù)性、穩(wěn)定性,結(jié)果表明:經(jīng)石墨烯修飾的電極表面更有利于酶的附著,吸附法制備的傳感器在10mg/m3-25mg/m3DMMP濃度范圍內(nèi)具有良好響應(yīng)(R2=0.9965),且在25mg/m3DMMP氣氛環(huán)境下表現(xiàn)出良好的重復(fù)性,但其穩(wěn)定性不佳。其次,分別研究了pH值、石墨烯的量、固定化時(shí)間等工藝參數(shù)對傳感器性能的影響,研究結(jié)果表明:每一種酶都有其最適pH值,基于吸附法制備的傳感器的最適pH值為6.8；石墨烯大的表面積提高了酶的附著量,傳感器在石墨烯的量為0.04ml時(shí)具有最佳性能；采用吸附法對酶膜進(jìn)行固定,經(jīng)過12h的吸附,電極表面酶吸附量達(dá)到飽和。(2)采用交聯(lián)法對乙酰膽堿酯酶膜進(jìn)行固定,并對其重復(fù)性和穩(wěn)定性進(jìn)行了測試,結(jié)果表明:交聯(lián)法制備的傳感器在10mg/m3-50mg/m3 DMMP范圍內(nèi)的響應(yīng)具有很高的靈敏度,在40mg/m3 DMMP氣氛環(huán)境下有良好的重復(fù)性,且7天后器件表面的酶膜仍然保持較高的活性。最后,探究了pH值、石墨烯的量、固定化時(shí)間及交聯(lián)劑濃度等工藝參數(shù)對傳感器性能的影響,研究結(jié)果表明:基于交聯(lián)法制備的傳感器的最適pH值為6.8；石墨烯良好的抗菌性和生物相容性有利于酶膜的保存,交聯(lián)法制備的傳感器在石墨烯的量為0.03ml時(shí)保存7天后響應(yīng)僅衰減21%,綜合性能最佳；采用交聯(lián)法制備酶膜時(shí)交聯(lián)反應(yīng)在4h后完成；戊二醛濃度過低會(huì)使交聯(lián)反應(yīng)不完全,濃度過高時(shí),過量的戊二醛使酶的活性中心封閉,影響酶與DMMP接觸與擴(kuò)散,采用交聯(lián)法制備的傳感器在戊二醛濃度為5wt%時(shí)具有最佳性能。

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石墨烯 生物傳感器：石墨烯生物傳感器原理，你了解嗎！

石墨烯生物傳感器，一種新型的生物傳感器類型，它利用了石墨烯的化學(xué)反應(yīng)作為運(yùn)行的原理。在很多行業(yè)中，石墨烯生物傳感器有著大量的市場需求，比如醫(yī)療、電子、航空等技術(shù)領(lǐng)域，下面，傳感愛好者就為大家介紹一下石墨烯生物傳感器的原理，希望能對大家提供幫助作用！
石墨烯生物傳感器原理
石墨烯基于生物傳感技術(shù)，其具備有良好的的化學(xué)性質(zhì)。
一般能夠固定住各種生物分子，因而也能超出普通的碳電極的運(yùn)用范圍，比如經(jīng)過用葡萄糖氧化酶能夠?qū)κ┻M(jìn)行功能化，可以做成葡萄糖酶基傳感器；再經(jīng)過用DNA對石墨烯進(jìn)行功能化以后，可以做成基因傳感器；經(jīng)過用抗體修飾石墨烯等等。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)證明將石墨烯直接運(yùn)用在傳感器中，由于納米級石墨烯容易聚沉，因此并沒有達(dá)到預(yù)期的效果，因此對石墨烯的修飾就變得尤為重要。
石墨烯生物傳感器分類：
石墨烯生物傳感器現(xiàn)狀是傳感器領(lǐng)域的一大熱門發(fā)展方向，我們通常可以對市面上常見的石墨烯生物傳感器進(jìn)行以下的分類：
1、過氧化氫酶傳感器
基于單面石墨烯納米材料和酶的復(fù)合膜的過氧化氫生物傳感器中，采用了一種芳香性物質(zhì)—1,3,6,8-芘四磺酸四鈉鹽(TPA),能夠高效的將石墨剝落成單層片狀的石墨烯。
2、免疫生物傳感器
一個(gè)基于石墨烯片和硫堇（TH）的納米復(fù)合材料新的免疫傳感平臺(tái)用于制作無標(biāo)記的電化學(xué)免疫傳感器。由于石墨烯有打的表面積能夠增加Ab1的吸附量，同時(shí)其良好的導(dǎo)電性能夠增強(qiáng)硫堇的電活性。用甲胎蛋白作為模型，運(yùn)用修飾硫堇后抗原抗體作用時(shí)峰電流的變動(dòng)來檢查。
3、葡萄糖氧化酶傳感器
基于石墨烯、殼聚糖、納米金的復(fù)合物固載葡萄糖氧化酶的金電極的新型葡萄糖生物傳感器。在這里，搭建了一種新的酶固載基質(zhì)，旨在結(jié)合石墨烯、納米金、殼聚糖的優(yōu)勢，加強(qiáng)的生物傳感性能。從而產(chǎn)生的石墨，納米金殼聚糖復(fù)合材料表明對過氧化氫與氧氣明顯的電催化作用。
關(guān)于石墨烯生物傳感器原理介紹就到這里了！其基本運(yùn)作原理都是基于一些生物化學(xué)反應(yīng)。看完本文以后，您是否對石墨烯生物傳感器的認(rèn)識(shí)又深入一步了呢？石墨烯作為一種重要的能源物質(zhì)，在生物傳感器應(yīng)用中也擔(dān)任著非常關(guān)鍵額的環(huán)節(jié)，而在今后，生物傳感器的應(yīng)用也會(huì)變得越來越加廣泛。