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Adv. Funct. Mater.:科学家制成新型生物传感器

来源:科技日报 2012-09-01 11:45

美国普渡大学等机构的研究人员制成了新型生物传感器,能够以非侵入的方式进行糖尿病测试,探测出人体唾液和眼泪中极低的葡萄糖浓度。这项技术无需过于繁复的生产步骤,从而可降低传感器的制造成本,并可能帮助消除或降低利用针刺进行糖尿病测试的几率。相关研究论文发表在《先进功能材料》杂志上。

目前的大多数传感器都能测量血液中的葡萄糖,但却不能探测眼泪和唾液中的葡萄糖浓度,而新方法能够应用于唾液、眼泪、血液和尿液中,这在之前还未被证实过。

新型生物传感器包括3个主要部分:石墨烯制成的纳米片层、铂纳米粒子和葡萄糖氧化酶。其中的纳米片仿若微小的玫瑰花瓣,每片花瓣均包含着多个堆叠的石墨烯层。花瓣的边缘也悬挂着不完整的化学键,使铂纳米粒子可以附着在这里。纳米片和铂纳米粒子相结合能够形成电极,随后葡萄糖氧化酶也可附着在铂纳米粒子上。酶能将葡萄糖转化为过氧化物,并且在电极上产生一个信号。

通常情况下,在获得具有纳米结构的生物传感器成品前,需要经历复杂的处理步骤,其中包括光刻、化学处理、蚀刻等。而这些纳米片花瓣的好处就是,它们能够在任一表面上生长,也无需经历这些步骤,因此可称得上是商业化的理想选择。

除了糖尿病测试,此项技术还可用于感测多种化合物以契合其他的医疗状况。例如可将葡萄糖氧化酶替换为谷氨酸氧化酶来测量神经递质谷氨酸,以进行帕金森症和阿尔茨海默症的测试,或是使用乙醇氧化酶来监测体内的酒精。其不仅应用范围很广,同时还兼具快速和便携的优势。

研究人员称,这是首次在这么宽的检测范围内发现如此低的传感极限。这种探测器能探测到浓度为0.3微摩尔的葡萄糖,比其他基于石墨烯、碳纳米管或金属纳米粒子等材质的电气化学生物传感器更为敏感。

此外,这款传感器还能区分源自葡萄糖和其他化合物的信号,如一般存在于血液中的尿酸、抗坏血酸和对乙酰氨基酚等化合物,其通常会导致对传感器的干扰。此外,这些化合物还具有电化学活性,这意味它们自己就能产生电子信号,而不用像葡萄糖一样,需要和酶发生反应后才能生成单个信号。(生物谷Bioon.com)

Nanostructuring Platinum Nanoparticles on Multilayered Graphene Petal Nanosheets for Electrochemical Biosensing

Jonathan C. Claussen, Anurag Kumar, David B. Jaroch, M. Haseeb Khawaja, Allison B. Hibbard, D. Marshall Porterfield, Timothy S. Fisher

Hybridization of nanoscale metals and carbon nanotubes into composite nanomaterials has produced some of the best-performing sensors to date. The challenge remains to develop scalable nanofabrication methods that are amenable to the development of sensors with broad sensing ranges. A scalable nanostructured biosensor based on multilayered graphene petal nanosheets (MGPNs), Pt nanoparticles, and a biorecognition element (glucose oxidase) is presented. The combination of zero-dimensional nanoparticles on a two-dimensional support that is arrayed in the third dimension creates a sensor platform with exceptional characteristics. The versatility of the biosensor platform is demonstrated by altering biosensor performance (i.e., sensitivity, detection limit, and linear sensing range) through changing the size, density, and morphology of electrodeposited Pt nanoparticles on the MGPNs. This work enables a robust sensor design that demonstrates exceptional performance with enhanced glucose sensitivity (0.3 μM detection limit, 0.01–50 mM linear sensing range), a long stable shelf-life (>1 month), and a high selectivity over electroactive, interfering species commonly found in human serum samples.

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