中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
電化學(xué)生物傳感器是一種將與特定生物識別單元反應而產(chǎn)生的化學(xué)信號轉換為電學(xué)信號的技術(shù)，具有高靈敏度、快響應速度、低成本、小型便攜等優(yōu)點(diǎn)，在臨床醫學(xué)、環(huán)境檢測和檢驗檢疫等方面具有重要作用。高催化活性的金屬氧化物識別單元是電化學(xué)生物傳感技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。然而，金屬氧化物識別單元電導率低，嚴重阻礙了反應過(guò)程中的電子轉移過(guò)程，傳感性能不佳。因此，從設計高效電化學(xué)生物傳感電極結構角度出發(fā)，構建高導電性的納米薄膜結構轉換單元來(lái)負載高催化活性識別單元，成為該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
中國科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心聯(lián)合研究部薄膜材料與界面課題組研究員姜辛、副研究員黃楠指導博士研究生翟朝峰，利用CVD、PVD和電化學(xué)氧化技術(shù)研制出一種新型金剛石/碳納米墻負載CuO的三維網(wǎng)狀電化學(xué)傳感電極并用于葡萄糖分子的檢測工作。該電化學(xué)傳感電極表現出寬的線(xiàn)性檢測范圍、高靈敏度、低檢測極限以及良好的選擇性、優(yōu)異的重現性和長(cháng)期穩定性，進(jìn)一步研究發(fā)現，該電極在實(shí)際分析人體血清時(shí)呈現出良好的回收率，具有很高的生物分子識別能力。
圖1 三維網(wǎng)狀金剛石/碳納米墻負載CuO納米顆粒電化學(xué)傳感電極結構與生物傳感檢測原理圖
圖2 三維網(wǎng)狀金剛石/碳納米墻負載CuO電化學(xué)傳感器電極靈敏性、抗干擾性、選擇性以及長(cháng)期穩定性測試
分析表明，優(yōu)異的電化學(xué)傳感性能主要源于具有優(yōu)異物理化學(xué)性質(zhì)的金剛石/碳納米墻薄膜電極。一方面，碳納米墻由數十層近乎垂直于襯底生長(cháng)的石墨烯片層構成，不僅具有優(yōu)異的導電性和大的比表面積，還具有豐富的高電化學(xué)活性的石墨棱邊、易于傳質(zhì)的開(kāi)孔結構、不易團聚、結構穩定等特點(diǎn)。另一方面，高楊氏模量的金剛石以納米片的形式貫穿整個(gè)薄膜電極，進(jìn)一步提高電極在應用過(guò)程中的機械結構穩定性。這種獨特的三維網(wǎng)狀結構能夠加快葡萄糖分子質(zhì)量傳輸，及時(shí)將催化反應產(chǎn)生的電子傳輸回電化學(xué)回路，從而表現出卓越的電分析性能和長(cháng)期穩定性。此外，該三維網(wǎng)狀電化學(xué)傳感電極同樣適用于負載其它生物識別單元，在高性能電化學(xué)生物傳感器領(lǐng)域展現出較大的潛力。該碳納米結構還將在電化學(xué)能量存儲與轉化、電催化等領(lǐng)域具有研究?jì)r(jià)值。相關(guān)研究成果受邀發(fā)表于Small (in press)。
以上基礎研究工作得到國家自然科學(xué)基金、遼寧省科學(xué)技術(shù)基金和沈陽(yáng)市重大科技成果轉化項目等資助。
