電化學生物傳感器是一種將與特定生物識別單元反應而產(chǎn)生的化學信號轉(zhuǎn)換為電學信號的技術(shù)，具有高靈敏度、快響應速度、低成本、小型便攜等優(yōu)點，在臨床醫(yī)學、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，嚴重阻礙了反應過程中的電子轉(zhuǎn)移過程，傳感性能不佳。因此，從設(shè)計高效電化學生物傳感電極結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，構(gòu)建高導電性的納米薄膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換單元來負載高催化活性識別單元，成為該領(lǐng)域研究的重點和難點。

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心聯(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)狀電化學傳感電極并用于葡萄糖分子的檢測工作。該電化學傳感電極表現(xiàn)出寬的線性檢測范圍、高靈敏度、低檢測極限以及良好的選擇性、優(yōu)異的重現(xiàn)性和長期穩(wěn)定性，進一步研究發(fā)現(xiàn)，該電極在實際分析人體血清時呈現(xiàn)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納米顆粒電化學傳感電極結(jié)構(gòu)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電化學傳感器電極靈敏性、抗干擾性、選擇性以及長期穩(wěn)定性測試

分析表明，優(yōu)異的電化學傳感性能主要源于具有優(yōu)異物理化學性質(zhì)的金剛石/碳納米墻薄膜電極。一方面，碳納米墻由數(shù)十層近乎垂直于襯底生長的石墨烯片層構(gòu)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活性的石墨棱邊、易于傳質(zhì)的開孔結(jié)構(gòu)、不易團聚、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點。另一方面，高楊氏模量的金剛石以納米片的形式貫穿整個薄膜電極，進一步提高電極在應用過程中的機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這種獨特的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠加快葡萄糖分子質(zhì)量傳輸，及時將催化反應產(chǎn)生的電子傳輸回電化學回路，從而表現(xiàn)出卓越的電分析性能和長期穩(wěn)定性。此外，該三維網(wǎng)狀電化學傳感電極同樣適用于負載其它生物識別單元，在高性能電化學生物傳感器領(lǐng)域展現(xiàn)出較大的潛力。該碳納米結(jié)構(gòu)還將在電化學能量存儲與轉(zhuǎn)化、電催化等領(lǐng)域具有研究價值。相關(guān)研究成果受邀發(fā)表于Small (in press)。

以上基礎(chǔ)研究工作得到國家自然科學基金、遼寧省科學技術(shù)基金和沈陽市重大科技成果轉(zhuǎn)化項目等資助。