基于碳點修飾的光電化學生物傳感器實現(xiàn)可見光下檢測葡萄糖濃度

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

二氧化鈦（TiO2）納米棒（NRs）具有耐光腐蝕性能好、化學穩(wěn)定性好、對人體無毒以及制備成本低等優(yōu)點，已被廣泛應用于光電化學傳感器。樹枝狀二氧化鈦是一種在納米棒主干周圍生長有納米枝條的二氧化鈦，又稱支化二氧化鈦（B-TiO2）。基于其出色的光捕獲特性和用于電荷載流子收集的高導電通道，這種類型的二氧化鈦被認為是開發(fā)高靈敏度光電化學傳感器的潛在光活性材料。

然而，二氧化鈦作為一種寬帶隙半導體，通常只在紫外線照射下才有活性，這不僅使其無法有效地利用太陽的全部能量，而且容易導致生物樣品在紫外線下被破壞。為了將二氧化鈦的激發(fā)源擴展到可見光范圍，并在提高光電化學傳感器性能的同時解決上述問題，研究人員探索了許多技術，包括染料敏化、元素摻雜和與窄帶隙半導體的結合等。碳點（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。碳點修飾的具有優(yōu)異光電化學性能的二氧化鈦受到了研究者的高度關注。例如，Bian等將碳點與二氧化鈦耦合，碳點可以收集電子并幫助吸附重鉻酸鹽離子，從而使碳點/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)麥姆斯咨詢報道，近期，海南大學和海南醫(yī)科大學的研究人員以碳點/支化二氧化鈦為光活性材料，并利用葡萄糖氧化酶（GOx）為識別元件，提出了一種可見光驅(qū)動的光電化學酶生物傳感器，該傳感器可以在可見光下檢測葡萄糖濃度。相關研究成果以“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，研究人員通過兩步法在納米棒表面生長超薄納米片，構建了三維結構的支化二氧化鈦材料，并且以檸檬酸（CA）和尿素為原料，以簡單、低成本的方式合成了碳點。利用該合成方法獲得的碳點樣品具有許多親水性官能團（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)過碳點修飾后，二氧化鈦對可見光的收集能力明顯增強。此外，該研究加入了一定量的抗壞血酸（AA）作為空穴犧牲劑，以保證碳點在檢測過程中的穩(wěn)定性。

圖1 碳點/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的電子-空穴對生成。由于碳點的導帶位置較高，碳點內(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，然后通過外部電路遷移到對電極，從而形成初始光電流。此外，碳點是一種優(yōu)秀的電子輸運介質(zhì)，可以傳遞電子并接受支化二氧化鈦的光生空穴。因此，在這項工作中，二氧化鈦的光生空穴被注入到碳點的價帶中。遷移到碳點上的空穴被電解質(zhì)溶液中的抗壞血酸消耗，從而使碳點得到適當?shù)谋Ｗo。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氧化氫（H2O2）和葡萄糖酸，生成的過氧化氫可以與支化二氧化鈦的光生電子發(fā)生反應，隨著電解槽中葡萄糖濃度的增加，不斷生成的過氧化氫進一步消耗光生電子，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。

圖2 碳點/支化二氧化鈦/葡萄糖氧化酶（CDs/B-TiO2/GOx）對葡萄糖的光電化學檢測機制

接著，研究人員通過在模擬陽光（波長大于420 nm）下檢測不同濃度的葡萄糖，研究了該光電化學生物傳感器的傳感行為。在連續(xù)攪拌下，該研究測試了CDs/B-TiO2/GOx電極的光電流密度與葡萄糖濃度的關系（圖3a）。研究結果顯示，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系，其相關系數(shù)為0.995，具有統(tǒng)計顯著性（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，對葡萄糖濃度的檢測范圍為0 ~ 9.00 mM，檢測限（LOD）（S/N = 3.00）為0.0430 mM。

隨后，為了測試該光電化學生物傳感器的穩(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9次開/關循環(huán)后，CDs/B-TiO2/GOx電極的光電流響應變化不大，表明該傳感器具有較高的穩(wěn)定性。

特異性和選擇性是評價傳感器性能的基本指標。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)來測試該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；（c）當葡萄糖濃度為1.00 mM時CDs/B-TiO2/GOx生物傳感器的穩(wěn)定性測試；（d）當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，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/支化二氧化鈦復合材料，并在此基礎上成功設計了一種可見光驅(qū)動的光電化學酶生物傳感器，以用于葡萄糖檢測。碳點不僅擴大了支化二氧化鈦的光吸收范圍，提高了可見光響應密度，而且使碳點/支化二氧化鈦復合材料具有更長的光生電子壽命和更快的載流子輸運效率。研究結果表明，該研究所制備的碳點/支化二氧化鈦/葡萄糖氧化酶（CDs/B-TiO2/GOx）光電化學生物傳感器具有良好的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性。因此，該設計為未來開發(fā)經(jīng)濟、綠色、實用的葡萄糖檢測設備提供了一條可行的途徑。

審核編輯：劉清