基于碳點(diǎn)修飾的光電化學(xué)生物傳感器實(shí)現(xiàn)可見光下檢測(cè)葡萄糖濃度

人體內(nèi)的血糖水平與生命和健康息息相關(guān)，血糖水平異常通常會(huì)導(dǎo)致低血糖、糖尿病等多種疾病。近年來(lái)，許多常用的分析技術(shù)被應(yīng)用于葡萄糖檢測(cè)，例如熒光分析法、比色分析法、電化學(xué)分析法以及光電化學(xué)（PEC）分析法等。其中，光電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)因其傳感器攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快以及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在生物檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

二氧化鈦（TiO2）納米棒（NRs）具有耐光腐蝕性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好、對(duì)人體無(wú)毒以及制備成本低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于光電化學(xué)傳感器。樹枝狀二氧化鈦是一種在納米棒主干周圍生長(zhǎng)有納米枝條的二氧化鈦，又稱支化二氧化鈦（B-TiO2）?；谄涑錾墓獠东@特性和用于電荷載流子收集的高導(dǎo)電通道，這種類型的二氧化鈦被認(rèn)為是開發(fā)高靈敏度光電化學(xué)傳感器的潛在光活性材料。

然而，二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N寬帶隙半導(dǎo)體，通常只在紫外線照射下才有活性，這不僅使其無(wú)法有效地利用太陽(yáng)的全部能量，而且容易導(dǎo)致生物樣品在紫外線下被破壞。為了將二氧化鈦的激發(fā)源擴(kuò)展到可見光范圍，并在提高光電化學(xué)傳感器性能的同時(shí)解決上述問(wèn)題，研究人員探索了許多技術(shù)，包括染料敏化、元素?fù)诫s和與窄帶隙半導(dǎo)體的結(jié)合等。碳點(diǎn)（CDs）是一種新興的零維材料，具有體積小、水溶性高、毒性低、生物相容性好等特點(diǎn)。碳點(diǎn)修飾的具有優(yōu)異光電化學(xué)性能的二氧化鈦受到了研究者的高度關(guān)注。例如，Bian等將碳點(diǎn)與二氧化鈦耦合，碳點(diǎn)可以收集電子并幫助吸附重鉻酸鹽離子，從而使碳點(diǎn)/二氧化鈦在鉻（VI）光還原中的活性比純二氧化鈦高5.40倍。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，海南大學(xué)和海南醫(yī)科大學(xué)的研究人員以碳點(diǎn)/支化二氧化鈦為光活性材料，并利用葡萄糖氧化酶（GOx）為識(shí)別元件，提出了一種可見光驅(qū)動(dòng)的光電化學(xué)酶生物傳感器，該傳感器可以在可見光下檢測(cè)葡萄糖濃度。相關(guān)研究成果以“Carbon Dot-Modified Branched TiO2 Photoelectrochemical GlucoseSensors with Visible Light Response”為題發(fā)表在ACS Omega期刊上。

具體而言，研究人員通過(guò)兩步法在納米棒表面生長(zhǎng)超薄納米片，構(gòu)建了三維結(jié)構(gòu)的支化二氧化鈦材料，并且以檸檬酸（CA）和尿素為原料，以簡(jiǎn)單、低成本的方式合成了碳點(diǎn)。利用該合成方法獲得的碳點(diǎn)樣品具有許多親水性官能團(tuán)（例如氨基、羧基和羥基等），可以為隨后的葡萄糖氧化酶固定化提供更好的生物相容性。經(jīng)過(guò)碳點(diǎn)修飾后，二氧化鈦對(duì)可見光的收集能力明顯增強(qiáng)。此外，該研究加入了一定量的抗壞血酸（AA）作為空穴犧牲劑，以保證碳點(diǎn)在檢測(cè)過(guò)程中的穩(wěn)定性。

圖1 碳點(diǎn)/支化二氧化鈦制備流程圖

在可見光照射后，支化二氧化鈦和碳點(diǎn)的電子-空穴對(duì)生成。由于碳點(diǎn)的導(dǎo)帶位置較高，碳點(diǎn)內(nèi)部激發(fā)的光生電子被注入到支化二氧化鈦中。這些電子迅速遷移到FTO玻璃，然后通過(guò)外部電路遷移到對(duì)電極，從而形成初始光電流。此外，碳點(diǎn)是一種優(yōu)秀的電子輸運(yùn)介質(zhì)，可以傳遞電子并接受支化二氧化鈦的光生空穴。因此，在這項(xiàng)工作中，二氧化鈦的光生空穴被注入到碳點(diǎn)的價(jià)帶中。遷移到碳點(diǎn)上的空穴被電解質(zhì)溶液中的抗壞血酸消耗，從而使碳點(diǎn)得到適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。在溶液中加入葡萄糖后，溶解氧和葡萄糖被葡萄糖氧化酶催化生成過(guò)氧化氫（H2O2）和葡萄糖酸，生成的過(guò)氧化氫可以與支化二氧化鈦的光生電子發(fā)生反應(yīng)，隨著電解槽中葡萄糖濃度的增加，不斷生成的過(guò)氧化氫進(jìn)一步消耗光生電子，從而減小光電流。因此，不同的葡萄糖濃度可以產(chǎn)生不同的電信號(hào)。

圖2 碳點(diǎn)/支化二氧化鈦/葡萄糖氧化酶（CDs/B-TiO2/GOx）對(duì)葡萄糖的光電化學(xué)檢測(cè)機(jī)制

接著，研究人員通過(guò)在模擬陽(yáng)光（波長(zhǎng)大于420 nm）下檢測(cè)不同濃度的葡萄糖，研究了該光電化學(xué)生物傳感器的傳感行為。在連續(xù)攪拌下，該研究測(cè)試了CDs/B-TiO2/GOx電極的光電流密度與葡萄糖濃度的關(guān)系（圖3a）。研究結(jié)果顯示，隨著葡萄糖的不斷加入，光電流密度顯著降低，即光電流密度和葡萄糖濃度之間存在良好的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為0.995，具有統(tǒng)計(jì)顯著性（圖3b）。此外，該生物傳感器在模擬日光下的靈敏度為1.648 μA/mM/cm2，對(duì)葡萄糖濃度的檢測(cè)范圍為0 ~ 9.00 mM，檢測(cè)限（LOD）（S/N = 3.00）為0.0430 mM。

隨后，為了測(cè)試該光電化學(xué)生物傳感器的穩(wěn)定性，研究人員將CDs/B-TiO2/GOx電極在1.00 mM葡萄糖下間歇性暴露420 s（圖3c）。經(jīng)過(guò)9次開/關(guān)循環(huán)后，CDs/B-TiO2/GOx電極的光電流響應(yīng)變化不大，表明該傳感器具有較高的穩(wěn)定性。

特異性和選擇性是評(píng)價(jià)傳感器性能的基本指標(biāo)。在該研究中，研究人員利用可能出現(xiàn)在血清中的分子，例如氯化鈉、蔗糖、抗壞血酸和尿酸（UA）作為干擾物質(zhì)來(lái)測(cè)試該CDs/B-TiO2/GOx生物傳感器的性能。如圖3d所示，加入上述干擾物質(zhì)后，該CDs/B-TiO2/GOx生物傳感器的光電流密度變化不大。這一發(fā)現(xiàn)可能歸因于固定在電極表面的葡萄糖氧化酶的選擇性，證明了該生物傳感器具有良好的抗干擾性能。

圖3 （a）0 V時(shí)CDs/B-TiO2/GOx在0.100 M PBS（pH = 7.40）中的光電流密度；（b）在0.100 M PBS（pH = 7.40）中CDs/B-TiO2/GOx生物傳感器的線性校準(zhǔn)；（c）當(dāng)葡萄糖濃度為1.00 mM時(shí)CDs/B-TiO2/GOx生物傳感器的穩(wěn)定性測(cè)試；（d）當(dāng)0.100 M PBS（pH = 7.40）中具有氯化鈉（NaCl）、蔗糖（Suc）、抗壞血酸（AA）和尿酸（UA）等干擾物質(zhì)時(shí)，CDs/B-TiO2/GOx生物傳感器的光電流密度

綜上所述，該研究采用水熱法合成了碳點(diǎn)/支化二氧化鈦復(fù)合材料，并在此基礎(chǔ)上成功設(shè)計(jì)了一種可見光驅(qū)動(dòng)的光電化學(xué)酶生物傳感器，以用于葡萄糖檢測(cè)。碳點(diǎn)不僅擴(kuò)大了支化二氧化鈦的光吸收范圍，提高了可見光響應(yīng)密度，而且使碳點(diǎn)/支化二氧化鈦復(fù)合材料具有更長(zhǎng)的光生電子壽命和更快的載流子輸運(yùn)效率。研究結(jié)果表明，該研究所制備的碳點(diǎn)/支化二氧化鈦/葡萄糖氧化酶（CDs/B-TiO2/GOx）光電化學(xué)生物傳感器具有良好的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性。因此，該設(shè)計(jì)為未來(lái)開發(fā)經(jīng)濟(jì)、綠色、實(shí)用的葡萄糖檢測(cè)設(shè)備提供了一條可行的途徑。

審核編輯：劉清