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、社會秩序、經(jīng)濟發(fā)展帶來了嚴(yán)重影響。截至北京時間7月30日，據(jù)世界衛(wèi)生組織發(fā)布的實時統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球累計新冠肺炎確診病例超過1655萬例，死亡人數(shù)達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，能否在第一時間實現(xiàn)高效檢測和有效隔離是阻止疫情擴散的關(guān)鍵。因此，針對病原體（細菌、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 馮波教授團隊和 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，只是一個原子厚的超級材料，并且以強度、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)機械工程學(xué)副教授、該研究項目的負(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。”
　　克勞森和其他項目負(fù)責(zé)人-愛荷華州立大學(xué)機械工程副教授卡門·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)表的一篇論文中報道了他們的傳感器發(fā)現(xiàn)。美國國家科學(xué)基金會、美國農(nóng)業(yè)部、空軍研究實驗室和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院均對該項目提供了支持。
　　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，因為食物中的細菌會產(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特點是使其非常有用：它們不需要花費很多錢，并且可以擴大規(guī)模以進行大規(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新的組胺和細胞因子傳感器技術(shù)的許可，畢竟，這是他們在商用傳感器中尋找的東西，這是一個廉價、可擴展的生物傳感器平臺。
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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時具有最佳性能；采用吸附法對酶膜進行固定,經(jīng)過12h的吸附,電極表面酶吸附量達到飽和。(2)采用交聯(lián)法對乙酰膽堿酯酶膜進行固定,并對其重復(fù)性和穩(wěn)定性進行了測試,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)法制備酶膜時交聯(lián)反應(yīng)在4h后完成；戊二醛濃度過低會使交聯(lián)反應(yīng)不完全,濃度過高時,過量的戊二醛使酶的活性中心封閉,影響酶與DMMP接觸與擴散,采用交聯(lián)法制備的傳感器在戊二醛濃度為5wt%時具有最佳性能。

展開

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用范圍，比如經(jīng)過用葡萄糖氧化酶能夠?qū)κ┻M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。因為實驗證明將石墨烯直接運用在傳感器中，由于納米級石墨烯容易聚沉，因此并沒有達到預(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，同時其良好的導(dǎo)電性能夠增強硫堇的電活性。用甲胎蛋白作為模型，運用修飾硫堇后抗原抗體作用時峰電流的變動來檢查。
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)用也會變得越來越加廣泛。