2023-12-09
金剛石電極和生物傳感器因其獨(dú)特的特性而在分析中引起人們的關(guān)注，即：大電位窗口、化學(xué)惰性、低基線電流、穩(wěn)定性和透明度。金剛石電極和生物傳感器被證明可以分別檢測(cè)神經(jīng)遞質(zhì)和蛋白質(zhì)等生物分子。在這篇綜述中，我們根據(jù)檢測(cè)類型（電化學(xué)或光學(xué)）、功能化和目標(biāo)分析物總結(jié)了不同類型的金剛石電極和生物傳感器。最后一部分討論了根據(jù)分析物的類型，使用電極或生物傳感器獲得的不同分析響應(yīng)。電極非常適合檢測(cè)具有氧化還原特性的小分子，而生物傳感器更適合檢測(cè)高分子量分子，例如 DNA 和蛋白質(zhì)。
01/介紹：一般來(lái)說(shuō)，生物傳感器是由受體層 (RL) 和傳感器組成的裝置，如圖 1 所示。與目標(biāo)分析物（例如 DNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖類）的溶液接觸后，它會(huì)結(jié)合 到 RL，傳感器通常將事件轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)，例如光學(xué)、熱、壓電、電化學(xué)或電化學(xué)發(fā)光信號(hào)等。
金剛石具有一系列獨(dú)特的化學(xué)和電子特性，使其成為生物傳感器傳感器層成分的一種很有前景的材料?；瘜W(xué)惰性使金剛石薄膜可以安全地用于生物應(yīng)用，而金剛石固有的硬度和機(jī)械強(qiáng)度使金剛石能夠安全地用于生物應(yīng)用。基于傳感器的傳感器非常耐用，并且可以在高或低 pH 介質(zhì)等腐蝕性條件下運(yùn)行。
天然金剛石是一種絕緣體，具有很寬的帶隙（5.5 eV）和極高的電阻率（1016 0cm），阻礙了其在電子領(lǐng)域的應(yīng)用。反過來(lái)，在氫飽和條件下通過化學(xué)氣相沉積 (CVD) 沉積的合成金剛石呈現(xiàn)出低得多的表面電阻率，其值約為 10% 0cm。金剛石的電導(dǎo)率可以通過在 CVD 過程中加入晶格選擇的雜質(zhì)（例如硼、氮和磷）來(lái)進(jìn)一步調(diào)整。
圖 1 所示的目標(biāo)特異性受體層可以通過具有能夠連接生物分子的氨基或羧基懸垂部分的氫封端 CVD 金剛石膜的功能化來(lái)實(shí)現(xiàn)。光化學(xué)方法（例如烯烴）或電化學(xué)修飾（通過重氮鹽的還原）是將這些待定基團(tuán)附著到金剛石表面的最常見方法。接下來(lái)是第二個(gè)反應(yīng)步驟，其中將互補(bǔ)生物分子（針對(duì)目標(biāo)分析物）連接到這些連接體上，從而為金剛石層提供高靈敏度和特異性。這篇綜述描述了制造基于金剛石的生物傳感器的主要方法，并組織了 如下：第 2 部分描述了通過 CVD 沉積的金剛石薄膜的特性以及使用等離子體處理對(duì)其表面進(jìn)行功能化；第 3 節(jié)概述了金剛石膜表面改性中使用的光化學(xué)、電化學(xué)和綠色化學(xué)方法；第 4 節(jié)和第 5 節(jié)分別描述了基于金剛石的電化學(xué)傳感器和具有金剛石受體層的生物傳感器的實(shí)際應(yīng)用。我們注意到，傳感設(shè)備是根據(jù)分析物的類型列出的，電極用于分析小的氧化還原活性生物分子，如組胺、多巴胺和其他神經(jīng)遞質(zhì)，而具有較大表面積的生物傳感器則用于識(shí)別 生物分子，例如 DNA 和蛋白質(zhì)。在審查結(jié)束時(shí)，對(duì)這些不同類型的探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。
02/化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜
金剛石薄膜可以在氫飽和的含碳?xì)夥罩型ㄟ^ CVD 沉積在各種非金剛石基材上。后者起著舉足輕重的作用：一方面，氫原子在烴源和金剛石基底上產(chǎn)生自由基；另一方面，它們以比 sp2 雜化碳（金剛石）更高的速率蝕刻掉 sp2 雜化碳（石墨），從而生長(zhǎng)出高質(zhì)量的金剛石薄膜。氫原子進(jìn)一步穩(wěn)定了金剛石表面的懸掛鍵，這是金剛石一些最獨(dú)特性質(zhì)的根源，例如高化學(xué)惰性、大電位窗口、疏水性和負(fù)電子親和力 (NE A)。天然金剛石是一種 絕緣子。當(dāng)薄膜在富氫環(huán)境中通過 CVD 沉積時(shí)，它們表現(xiàn)出被認(rèn)為是表面導(dǎo)電性的特性。發(fā)生這種情況的原因是碳的電負(fù)性比氫稍大，導(dǎo)致形成致密的表面偶極層，其中碳原子（C-）帶有輕微的負(fù)電，氫原子（H+）帶有輕微的正電，這會(huì)導(dǎo)致垂直于 表面在 C-H 鍵長(zhǎng)量級(jí)的距離上，即 1.1 A。該偶極子上的能量變化在 1.6 eV 范圍內(nèi)。金剛石的電導(dǎo)率可以通過在其晶格中包含電荷載流子元素（例如硼、氮和磷）來(lái)進(jìn)一步調(diào)整。用硼摻雜金剛石使其成為 p 型半導(dǎo)體，活化能 (Ea) 為 0.37 eV，而用氮摻雜金剛石可以獲得 n 型半導(dǎo)體，Ea = 1.7 eV，或磷，E = 0.56 eV 金剛石薄膜的表面通常是多晶的，晶粒尺寸在微米范圍內(nèi)。CVD 技術(shù)的多功能性允許制備多層材料，只需改變氣體環(huán)境的成分即可將摻雜層和未摻雜層沉積在彼此的頂部，從而可以制造具有定制特性的薄膜。例如，可以通過在摻硼多晶薄膜頂部生長(zhǎng)一層薄層非摻雜納米晶金剛石來(lái)改善材料堆疊的電性能（圖 2）
當(dāng)未摻雜的納米層沉積在導(dǎo)電多晶金剛石的基層上時(shí)，組合材料可以用作電極，從而提高對(duì)小生物分子的選擇性。文獻(xiàn)示例報(bào)告了在 20 Torr50 sccm CH4、200 sccm H、2 sccm C,H、基底偏壓 -200 V 和基底溫度800℃ 2 小時(shí)的條件下，在摻硼金剛石上沉積納米晶金剛石）。 最近，Song等人表明可以從未摻雜的金剛石開始并使用二次沉積來(lái)進(jìn)行硼摻雜來(lái)生產(chǎn)硼摻雜金剛石（BDD）。正如預(yù)期的那樣，BDD 樣品呈現(xiàn)出金剛石薄膜所不具備的電化學(xué)特性。隨著摻雜層厚度的增加（通過增加摻雜時(shí)間），電位窗口增加，但電化學(xué)活化沒有變化，因?yàn)檫@是表面現(xiàn)象。
金剛石薄膜的等離子體處理，金剛石薄膜的表面通常含有氫原子（H-金剛石）。 然而，可以生產(chǎn)帶有其他末端基團(tuán)的金剛石薄膜，從而影響電子親和力、表面電導(dǎo)率和潤(rùn)濕性等特性，并最終改變其吸附和附著分子、細(xì)胞和細(xì)菌的能力。氧氣和氮?dú)馐瞧渲械膬煞N。 金剛石表面最常見的末端基團(tuán) 這種終止可以通過將金剛石暴露在允許它們與金剛石表面反應(yīng)的條件下的選定氣體氣氛中來(lái)實(shí)現(xiàn)。用 O 原子代替 H 原子可以通過暴露于氧氣，或由射頻（RF）等離子體或通過在氧氣氣氛中的熱氧化產(chǎn)生的原子氧。 與原始 H 金剛石不同，金剛石表面富含氧，具有親水性，并具有正電子親和力 (PEA)。 其電化學(xué)性質(zhì)（即電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)和電勢(shì)窗口）與氫金剛石表面的電化學(xué)性質(zhì)不同。雖然氧末端原子的存在保證了親水性表面，但氮末端原子的存在帶來(lái)了額外的優(yōu)勢(shì)，即允許 DNA 和肽等生物分子的共價(jià)結(jié)合。 與氧化過程類似，可以通過在 He/NH3 或 N2 氣氛中進(jìn)行 RF 等離子體處理來(lái)實(shí)現(xiàn)在金剛石表面上包含氮原子。 后一過程可以產(chǎn)生多種鍵合構(gòu)型，例如C=N、C-N和C-NH2。
03/金剛石薄膜的表面改性：除了等離子體處理之外，還可以使用各種技術(shù)（例如光化學(xué)和電化學(xué)功能化）將特定分子附著到金剛石薄膜的表面?！案G色”的化學(xué)方法已在文獻(xiàn)中得到進(jìn)一步報(bào)道。
光化學(xué)反應(yīng):在氫金剛石表面包含不同官能團(tuán)的最早方法之一是采用光化學(xué)引發(fā)的過程。在這些技術(shù)中，利用紫外光將簡(jiǎn)單的 NH 基團(tuán)或橋接分子（例如酸或胺封端的烯烴）附著到金剛石薄膜的表面（圖 2）。橋接分子產(chǎn)生一個(gè)間隔臂，隨后可以與目標(biāo)特定分子（例如 DNA 寡核苷酸鏈或蛋白質(zhì)）形成共價(jià)鍵。此外，光化學(xué)方法的表面改性比濕化學(xué)改性具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢暂p松地用官能團(tuán)對(duì)基材進(jìn)行圖案化。作為一個(gè)挫折，氨基烯烴中存在兩個(gè)不同的官能團(tuán)，例如一端是雙鍵，另一端是胺，需要使用保護(hù)基團(tuán)以確保光化學(xué)反應(yīng)與雙鍵位點(diǎn)發(fā)生并 避免胺頭基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，這可能導(dǎo)致基材蝕刻。
最簡(jiǎn)單的功能化形式涉及在金剛石中生成 Nho 端接表面。這些可以通過在450W汞弧燈(254nm)照射下將H-金剛石暴露于氯氣，隨后也在照射下將氯封端暴露于氨氣來(lái)獲得。兩個(gè)反應(yīng)均在低壓（約 10-7 atm）下進(jìn)行。
為了更好地容納 DNA 等大分子，優(yōu)選使用間隔臂的方法。第一份關(guān)于用 DNA 寡核苷酸序列功能化納米晶金剛石膜的報(bào)告可以追溯到 2002 年，并采用 10-氨基癸烯（胺基受三氟乙酰胺保護(hù)）通過紫外線照射（0.35 mW cm-2, 254 nm)。脫保護(hù)后，使伯胺與異雙功能交聯(lián)劑磺基琥珀酰亞胺-4-(N-馬來(lái)酰亞胺甲基)環(huán)己烷-1-甲酸酯(SSMCC)反應(yīng)，形成隨后與硫醇修飾的DNA寡核苷酸鏈反應(yīng)的基團(tuán)。
或者，DNA寡核苷酸鏈可以通過另一端以羧酸基團(tuán)封端的烯橋連接至H-金剛石。常用的連接劑是10-十一碳烯酸，它通過紫外線照射（20 h2.5 mW cm-2, 254 nm）活化反應(yīng)形成橋接層；隨后，用 1-乙基-3-[3-二甲基氨基丙基]-碳二亞胺 (EDC) 處理游離的羧酸根基團(tuán)，生成易于與所需 DNA 寡核苷酸的胺基反應(yīng)的非活性中間體物質(zhì)（圖 3A）。用 EDC 活化羧酸基團(tuán)可以實(shí)現(xiàn)更快、高強(qiáng)度的反應(yīng)，因?yàn)榛钚灾虚g體比天然 COOH 更具反應(yīng)性。該方法的進(jìn)一步開發(fā)比較了未保護(hù)和受保護(hù)形式（十一碳烯酸三氟乙酯）的 10-十一碳烯酸的反應(yīng)效果，結(jié)果表明，保護(hù)基團(tuán)的使用導(dǎo)致金剛石表面上的羧酸酯基團(tuán)密度較低。這可能是由于受保護(hù)分子的體積較大，對(duì)官能化反應(yīng)產(chǎn)生空間位阻，從而降低了附著分子的密度。
H-金剛石表面包含抗體的過程與已經(jīng)描述的 DNA 類似，其中第一個(gè)反應(yīng)步驟采用三氟乙酰胺保護(hù)的 10-氨基癸烯（圖 3B）。第二步，用戊二醛溶液處理底物，戊二醛是一種蛋白質(zhì)交聯(lián)劑，能夠與胺反應(yīng)形成席夫堿。然而，該方法需要額外的處理步驟（在氰基硼氫化鈉偶聯(lián)緩沖液中添加 0.1 M 甘氨酸溶液）以去除可能影響金剛石表面穩(wěn)定性的未反應(yīng)的醛基。
電化學(xué)反應(yīng)：這些程序基于帶電分子通過電流與氫金剛石表面的反應(yīng)。
涉及重氮鹽的反應(yīng)：Kuo 等人首先報(bào)道了苯基重氮鹽的使用。1999 年，該方法迅速成為一種廣泛采用的金剛石表面功能化方法，其連接臂可作為生物分子（如抗體或 DNA 寡核苷酸鏈）共價(jià)鍵合的錨點(diǎn)。該過程從合成重氮鹽開始，例如四氟硼酸 4-硝基重氮苯（圖 4），然后在 1% SDS（鈉）溶液存在下用于處理 H 封端金剛石薄膜 (40 mM) 十二烷基硫酸鹽）以產(chǎn)生以4-硝基芳基基團(tuán)封端的表面。隨后施加電流將硝基還原為伯胺。
通過苯基重氮鹽法在金剛石表面形成的伯胺可用作多種分子的錨定點(diǎn)。一個(gè)例子是通過 SSMCC 交聯(lián)與硫醇修飾的 DNA 寡核苷酸進(jìn)行反應(yīng)（DNA 與 NH 封端的金剛石交聯(lián)的過程的詳細(xì)信息已描述，見第上一節(jié)）。該方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，苯基自由基物質(zhì)不僅與金剛石膜的表面反應(yīng)，而且與接枝在表面上的苯環(huán)反應(yīng)，最終形成不期望的多層。
原位電化學(xué)聚合：可以微調(diào)電化學(xué)反應(yīng)以實(shí)現(xiàn)原位聚合物沉積。一個(gè)例子報(bào)道了使用吡咯（一種帶正電荷的分子）來(lái)形成聚吡咯薄膜：將金剛石表面浸入 50 mM 吡咯在 0.2 M KCl 中的溶液中，并從 0 到 1.1 V 循環(huán)兩次（掃描速率為 500 mV s-')。隨后的氧化（通過添加 0.5 M NaOH 并應(yīng)用十次電循環(huán)）促進(jìn)了 COO- 基團(tuán)的形成，從而形成具有多個(gè)負(fù)電荷的聚合物涂層。據(jù)報(bào)道，該方法可改善多巴胺等小生物陽(yáng)離子分子的檢測(cè)。
離子液體促進(jìn)的反應(yīng)：迄今為止報(bào)道的大多數(shù)方法都依賴于使用外部能源（射頻/紫外線的熱能/電能）來(lái)提供所需的活化能，以在金剛石表面上的原子與不同化學(xué)實(shí)體之間建立鍵。已經(jīng)提出了使用重氮鹽對(duì)帶有氫原子的金剛石薄膜表面進(jìn)行化學(xué)改性的新視角，并使用離子液體。該過程可以在不使用任何活化源的情況下進(jìn)行，即無(wú)需熱、電或光化學(xué)活化。在他們的報(bào)告中，Szuneritsetal。僅使用溶解在離子液體中的 4-硝基偶氮苯，利用其低蒸氣壓的優(yōu)勢(shì)：通過使用簡(jiǎn)單的點(diǎn)樣技術(shù)，將重氮鹽離子液體溶液的液滴局部沉積在碳材料上，為化學(xué)功能化開辟了新的機(jī)會(huì) 金剛石表面。
04/ 金剛石基電極
摻硼金剛石 (BDD) 電極因其獨(dú)特的電化學(xué)特性（例如低且穩(wěn)定的基線電流和寬的水分解電位窗口）而越來(lái)越多地應(yīng)用于生物分析應(yīng)用。化學(xué)穩(wěn)定性是一個(gè)關(guān)鍵因素：雖然大多數(shù)常用電極不能在腐蝕性、酸性或堿性介質(zhì)中使用，但金剛石電極的化學(xué)惰性使其可以在各種類型的介質(zhì)中使用。另一個(gè)好處是“防污”行為，即它們對(duì)大多數(shù)類型的有機(jī)分子的吸附性較差，這確保了非常好的穩(wěn)定性，防止由于表面鈍化層堆積而導(dǎo)致電化學(xué)信號(hào)隨著時(shí)間的推移而退化。
據(jù)報(bào)道，金剛石電極可以檢測(cè)多種生物胺，包括多巴胺、腎上腺素、去甲腎上腺素、血清素和組胺等神經(jīng)遞質(zhì)。這類分子的檢測(cè)通?；谒鼈兊难趸磻?yīng)，其中兒茶酚的醇部分轉(zhuǎn)化為酮。本節(jié)中描述的電極通常不會(huì)針對(duì)目標(biāo)特異性分析進(jìn)行功能化，而是通過找到所需分析物的氧化（或還原）峰值電壓，然后在電流分析模式下操作來(lái)獲得其靈敏度。即將電壓固定在先前確定的值 最優(yōu)值。通過簡(jiǎn)單的涂層程序可以提高靈敏度，例如使用氧化聚吡咯聚合物來(lái)排斥陰離子污染物，或者通過用納米顆粒重塑電極表面來(lái)縮小目標(biāo)分析物的氧化還原峰。通過將電極與毛細(xì)管電泳或流動(dòng)注射分析等分離方法結(jié)合可以提高特異性
組胺檢測(cè)：使用循環(huán)伏安法和流體動(dòng)力伏安法研究了多晶 BDD 薄膜電極在 pH 為 7.2 的水介質(zhì)中對(duì)他胺的電化學(xué)響應(yīng)。組胺的循環(huán)伏安圖清晰可見，峰值電壓為 1.40 V，檢測(cè)限為 1 μM，組胺濃度的線性響應(yīng)范圍為 0.5 至 100 ul。
血清素檢測(cè)：前一小節(jié)中描述的相同 BDD 薄膜適用于血清素的檢測(cè)。循環(huán)伏安圖顯示出明確的掃描，峰表明電極表面上沒有吸附血清素的氧化產(chǎn)物。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間（幾個(gè)小時(shí)）始終沒有觀察到電極結(jié)垢或失活。線性動(dòng)態(tài)范圍在 0.01 至 100 μM 區(qū)間內(nèi)，檢測(cè)限非常低，約為 10 nM。
多巴胺檢測(cè)：多巴胺的伏安檢測(cè)是通過由 BDD 薄膜制備的微電極實(shí)現(xiàn)的，并通過二次沉積工藝進(jìn)行修改（參見第 2 節(jié)中的詳細(xì)信息，以展示納米級(jí)未摻雜晶體金剛石的外層。該策略有助于縮小多巴胺的氧化峰 ，使其可以從兩種常見干擾物抗壞血酸和尿酸的信號(hào)中辨別出來(lái)。請(qǐng)注意，當(dāng)金剛石電極未經(jīng)處理（第二次沉積）以呈現(xiàn)納米晶體特征時(shí)，這兩種干擾物的峰與多巴胺的峰重疊 檢測(cè)含有其他污染物的溶液中的多巴胺的另一種策略是使用沉積在微纖維上并涂有氧化聚吡咯聚合物層的 BDD 電極（參見第 3.2.2 節(jié)中的制造細(xì)節(jié)）。氧化聚吡咯涂層的存在有助于減少 這種干擾源自抗壞血酸和 3,4-二羥基苯乙酸 (DOPAC)（多巴胺的常見代謝物）。這種行為與電極表面氧化聚吡咯涂層中大量帶負(fù)電的羧酸根基團(tuán)有關(guān)，其吸引多巴胺陽(yáng)離子，同時(shí)排斥帶負(fù)電的抗壞血酸陰離子。即使目標(biāo)分析物中存在過量的抗壞血酸 (0.2 mM)，多巴胺 (0.05 mM) 伏安圖也顯示出兩個(gè)獨(dú)立的峰，一個(gè)為多巴胺，電壓為 0.5 V，另一個(gè)為抗壞血酸，電壓在 0.3 V 左右（圖 5） 多巴胺的檢測(cè)值為0.1 nMatS/N = 3（S/N為信噪比），線性動(dòng)態(tài)范圍在0.5 nM至100 uM之間。0.5 nM 多巴胺的電流響應(yīng)顯示出高穩(wěn)定性，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為 5.4%（n = 5）和良好的重現(xiàn)性（對(duì)于 1 nM 多巴胺溶液，在 ± 6.2% 范圍內(nèi)（對(duì)于 n = 10））。此外，在 7 天的測(cè)量期間，響應(yīng)保持不變，干擾物（抗壞血酸和 DOPAC）的排斥效率沒有變化。
使用耦合系統(tǒng)可以進(jìn)一步提高含有復(fù)雜背景的基質(zhì)中對(duì)多巴胺的敏感性。在其中一份報(bào)告中，使用 BDD 微電極對(duì)多巴胺進(jìn)行電流檢測(cè)，并使用流動(dòng)注射分析進(jìn)行預(yù)處理。即使分析物溶解在河水和人血清等復(fù)雜基質(zhì)中，該系統(tǒng)也能在低至 6.0 μM（最低測(cè)試濃度）的濃度下以良好的可靠性和重現(xiàn)性檢測(cè)多巴胺。在另一份報(bào)告中，使用 BDD 微電極與毛細(xì)管電泳結(jié)合進(jìn)行多巴胺的電化學(xué)檢測(cè)。該系統(tǒng)可以分離和分析含有多巴胺、兒茶酚和抗壞血酸的混合物中的多巴胺（磷酸鹽緩沖液中的濃度均為 10 mM，pH = 6）。在不同的應(yīng)用電位下評(píng)估系統(tǒng)性能，結(jié)果表明背景電流 (~100 pA) 隨著時(shí)間的推移非常穩(wěn)定，并且混合物中每種成分的洗脫和檢測(cè)時(shí)間（峰值電流或面積）具有良好的重現(xiàn)性。響應(yīng)精度優(yōu)于 4.1%，線性響應(yīng)在 0.1 至 1 mM 之間，檢測(cè)限為 1.7 fM。
多成分分析：多巴胺、腎上腺素和去甲腎上腺素Multi-Component Analysis: Dopamine, Adrenaline and Noradrenaline
據(jù)報(bào)道，與先前描述的類似設(shè)置，即由摻硼微電極與毛細(xì)管電泳相結(jié)合組成，可以同時(shí)檢測(cè)三種主要神經(jīng)遞質(zhì)：多巴胺、腎上腺素和去甲腎上腺素。該系統(tǒng)對(duì)這三種兒茶酚胺具有較高的分離效率和良好的檢測(cè)性能，對(duì)兒茶酚胺混合物進(jìn)行十次重復(fù)檢測(cè)（每次濃度為50 μM），電流響應(yīng)具有較高的重現(xiàn)性，檢測(cè)限低至20 nM。
大量體內(nèi)應(yīng)用：切除組織中的去甲腎上腺素和腺苷檢測(cè)
去甲腎上腺素 ：為了使傳感器更接近活體生物體中的實(shí)際應(yīng)用，開發(fā)了金剛石涂層碳纖維微型傳感器，并在體外環(huán)境中用切除的大鼠腸系膜組織進(jìn)行了去甲腎上腺素檢測(cè)測(cè)試。對(duì)腸系膜進(jìn)行電刺激（20 Hz 下 60 個(gè)脈沖，總時(shí)間為 3 秒，10 分鐘后重復(fù)刺激），去甲腎上腺素從支配腸系膜動(dòng)脈的交感神經(jīng)中釋放出來(lái)，并以電反應(yīng)的形式進(jìn)行測(cè)量，呈現(xiàn)出約 100 kHz 的峰值10 帕。隨著時(shí)間的推移，響應(yīng)表現(xiàn)出良好的再現(xiàn)性和可回收性。
腺苷 Adenosine：腺苷除了是 DNA 的基本成分外，還以低濃度（約 50 至 200 nM）存在于大腦中，參與神經(jīng)傳遞調(diào)節(jié)，尤其是呼吸功能的控制。在一項(xiàng)試點(diǎn)研究中，Xie 等人。重點(diǎn)研究了嚙齒動(dòng)物大腦中的 PreBotzinger 復(fù)合體，該部位富含腺苷釋放神經(jīng)元。該腦區(qū)域的切除切片保存在人工腦脊液（含有 8 mM K+）中。測(cè)量采用生長(zhǎng)在鎢微電極（直徑約為 30 μm）尖端的 BDD 薄膜，該薄膜可檢測(cè)濃度為 10 nM 的腺苷，信噪比為 20，檢測(cè)限為 2nM（信噪比=3）。當(dāng)將微電極放置在用合成藥物刺激釋放腺苷的切除腦組織切片上時(shí)，能夠檢測(cè)到濃度在 2 至 5 μM 之間波動(dòng)的腺苷釋放。
檢測(cè) NADH（腺嘌呤和煙酰胺的二核苷酸）：煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH) 由通過磷酸基團(tuán)連接的兩個(gè)核苷酸組成。這種細(xì)胞代謝必需的生物分子參與多種細(xì)胞氧化還原反應(yīng)，包括檸檬酸循環(huán)和氧化磷酸化鏈，這是活細(xì)胞能量產(chǎn)生的兩個(gè)重要過程。使用 BDD 薄膜電極實(shí)現(xiàn)了 NADH 的檢測(cè)，即使在低 NADH 濃度 (0.2 mM) 下也具有清晰的伏安圖，具有良好的電流分析性能和 10 nM 的檢測(cè)限（信噪比為 7）。發(fā)現(xiàn)電極響應(yīng)在長(zhǎng)達(dá) 3 個(gè)月的儲(chǔ)存期內(nèi)保持穩(wěn)定。
體內(nèi)運(yùn)行的谷胱甘肽電極：谷胱甘肽是一種氧化還原活性三肽，序列為 L-y-谷氨酰-L-半胱氨酰甘氨酸，是負(fù)責(zé)去除可能對(duì)活組織造成損害的氧化物質(zhì)和自由基的主要生物分子。據(jù)報(bào)道，BDD 可在小鼠模型體內(nèi)檢測(cè) chimico 和 mbox 中的谷胱甘肽。在稀釋的磷酸鹽緩沖液 (PBS) 中的谷胱甘肽溶液中進(jìn)行的電流測(cè)量顯示，S/N = 3 時(shí)谷胱甘肽的檢測(cè)限為 0.3 mM。體內(nèi)測(cè)量是在患有源自人類癌細(xì)胞的異種移植腫瘤的免疫缺陷小鼠中皮下進(jìn)行的。由于腫瘤細(xì)胞代謝率增加，谷胱甘肽通常在腫瘤細(xì)胞中過度表達(dá)。該電極能夠以高重現(xiàn)性檢測(cè)癌組織和健康組織之間谷胱甘肽濃度的差異。
05/金剛石基電生物傳感器
使用特定檢測(cè)器層對(duì)金剛石薄膜表面進(jìn)行功能化的可能性為檢測(cè)更大且特定的分子（例如 DNA 甚至病毒）打開了大門。這些生物傳感器的工作原理是基于目標(biāo)分子和受體層之間發(fā)生分子間相互作用，從而提高了選擇性。在表面上使用多于一種類型的受體分子可以生產(chǎn)能夠檢測(cè)多種分析物的傳感器。此外，當(dāng)分析物的分子被受體層上的對(duì)應(yīng)物識(shí)別時(shí)，超分子相互作用會(huì)導(dǎo)致生物傳感器表面電特性的變化，從而允許除循環(huán)伏安法之外的其他詢問技術(shù)，例如阻抗 測(cè)量。通過專門探測(cè)表面阻抗的變化，這些測(cè)量可以提供更準(zhǔn)確的工具來(lái)檢測(cè)分析物分子的存在。
DNA 生物傳感器：Yang等人通過頻率相關(guān)的阻抗測(cè)量觀察了金剛石薄膜表面 DNA 寡核苷酸的識(shí)別。作為電勢(shì)函數(shù)的測(cè)量表明，106 Hz 下的阻抗主要由金剛石薄膜的空間電荷區(qū)域決定，并且互補(bǔ) DNA 寡核苷酸的雜交能夠在金剛石空間電荷層中誘發(fā)場(chǎng)效應(yīng)。這種效應(yīng)改變了金剛石膜的阻抗，從而允許實(shí)時(shí)雜交依賴性響應(yīng)。Zhong等人。使用兩種類型的金剛石薄膜測(cè)試了 DNA 的電檢測(cè)，一種由非摻雜金剛石組成，另一種由摻雜濃度高于 1019 cm-1 的 BDD 組成。兩種薄膜均采用十一碳烯酸進(jìn)行功能化，隨后連接 DNA 探針鏈。有趣的是，通過阻抗測(cè)量監(jiān)測(cè) DNA 識(shí)別表明，在基于 BDD 的生物傳感器上 DNA 雜交后，阻抗變化不大，而由非摻雜金剛石構(gòu)建的 DNA 傳感器則表現(xiàn)出阻抗響應(yīng)的明顯降低。這被解釋為“雙鏈 DNA 7t-nt 堆疊后分子層的電荷轉(zhuǎn)移電阻降低，以及由于空穴積累導(dǎo)致的表面下?lián)p耗減少”。Vermeeren 等人報(bào)道了十一碳烯酸/DNA 功能化非摻雜納米晶金剛石薄膜。該裝置的運(yùn)行方式與Yang等人構(gòu)建的裝置類似，即當(dāng)添加互補(bǔ)的靶DNA時(shí)，它表現(xiàn)出阻抗的降低。進(jìn)一步的測(cè)試包括使用含有與受體層不互補(bǔ)的 DNA 序列（具有單核苷酸錯(cuò)配或1個(gè)錯(cuò)配）的溶液來(lái)挑戰(zhàn)生物傳感器，以研究它是否可以與目標(biāo)分析物區(qū)分開來(lái)。結(jié)果表明，在 100 至 1500 Hz 之間的頻率下，可以區(qū)分 1-錯(cuò)配和互補(bǔ)靶 DNA。然而，生物傳感器在廣泛的應(yīng)用中仍然表現(xiàn)出一些局限性，因?yàn)樗男阅芤驑悠方橘|(zhì)的低離子含量而受到負(fù)面影響。1x PBS 緩沖液中的雜交不成功，而當(dāng)使用濃縮緩沖液、10x PCR 緩沖液（30 °C）時(shí)，互補(bǔ)雜交曲線和 1-錯(cuò)配雜交曲線之間的分離非常清晰且可重復(fù)。
免疫球蛋白生物傳感器：2007 年首次報(bào)道了使用由金剛石薄膜制成的生物傳感器檢測(cè)抗原-抗體識(shí)別，該方法采用免疫球蛋白 G/抗免疫球蛋白 G 抗原-抗體系統(tǒng)的電阻抗測(cè)量 (29]。免疫球蛋白 E (lgE) 的生物傳感器 隨后 Tran 等人報(bào)道了這一點(diǎn)（55 不是使用天然抗 IgE 抗體，而是采用了一種替代方法，該方法采用一種較小的合成生物分子，稱為適體，用于通過十一碳烯酸橋接的受體層）。適體是寡核苷酸或肽鏈，旨在識(shí)別 DNA 或蛋白質(zhì)。適體是一條合成的寡核苷酸鏈，富含 20 個(gè)胸苷堿基的末端序列，可最大限度地靈活結(jié)合 lgE 蛋白質(zhì)。生物傳感器提供 0.03 ug/mlat S/N = 3) 的低檢測(cè)限和線性動(dòng)態(tài) 范圍在 0.03 至 42.8 ug/mL 之間。可重復(fù)使用性測(cè)試了六個(gè)周期，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（第六個(gè)周期后）四舍五入到%。該生物傳感器的實(shí)用性在人血清樣本中進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示，lgE 濃度高達(dá) 5.8 ug/mL 時(shí)呈線性劑量響應(yīng)，生物傳感器提供的定量數(shù)據(jù)與參考方法酶提供的定量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)為 0.99。連鎖免疫吸附測(cè)定（ELISA）
流感生物傳感器：檢測(cè) M1 蛋白作為通用流感生物標(biāo)志物
甲型流感病毒基質(zhì)蛋白 M1 是一種含量廣泛的膜相關(guān)蛋白，位于病毒顆粒的包膜下，有助于維持結(jié)構(gòu)完整性并參與病毒生命周期的幾個(gè)重要過程。當(dāng)釋放到血清中時(shí)，M1 蛋白可以聚集并幫助病毒的各種成分組裝形成新的病毒顆粒。M1 可作為流感感染的生物標(biāo)志物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與其他抗原蛋白相比具有重要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼨M向于流感病毒的所有血清型。流感 M1 蛋白的生物傳感器是由納米晶體BD金剛石薄膜構(gòu)建而成，該薄膜通過重氮鹽電沉積而具有多克隆抗體功能。該生物傳感器能夠通過在補(bǔ)充有 0.5% Triton Xa 非離子表面活性劑的 PBS 中進(jìn)行阻抗測(cè)量來(lái)檢測(cè) H1N1 in.luenza 菌株中的 M1 蛋白。在這些條件下，傳感器響應(yīng)在 5 分鐘內(nèi)穩(wěn)定，線性范圍為 10 至 100 fg/mL，檢測(cè)限低至 0.7 fg/mL，相當(dāng)于大約 40 個(gè)病毒顆粒。該生物傳感器還能夠在相同條件下檢測(cè) H3N2 菌株，阻抗反應(yīng)幾乎沒有變化。
通過血凝素 (HA) 識(shí)別檢測(cè)整個(gè)流感病毒顆粒Detecting Whole Influenza Viral Particles via Hemagglutinin (HA) Recognition
流感全病毒顆粒的生物傳感器是由 BDD 薄膜構(gòu)建的，該薄膜通過重氮鹽的電化學(xué)沉積以及隨后的唾液酸模擬二聚肽的附著而功能化。該肽設(shè)計(jì)用于識(shí)別血凝素 (HA)，流感病毒的表面抗原之一。第一個(gè)序列的測(cè)試表明，生物傳感器在電阻抗光譜模式下運(yùn)行時(shí)，確實(shí)能夠識(shí)別 PBS 溶液中的純 HA。該生物傳感器使用完整病毒顆粒進(jìn)行了測(cè)試，已證明能夠成功響應(yīng)濃度范圍為 400-8000 pfu/mL（其中 pfu 是空斑形成單位）的 botlH1N1 和 H3N2 病毒株。
06/ 討論及未來(lái)展望
使用基于金剛石的設(shè)備對(duì)生物分子進(jìn)行電檢測(cè)可以使用簡(jiǎn)單的電極或特定目標(biāo)的生物傳感器來(lái)完成，正如本工作中所回顧的那樣。由 BDD（第 4 節(jié)）構(gòu)建的電極可以作為生物分析中實(shí)用、有彈性和可重復(fù)使用的儀器 由于其獨(dú)特的電化學(xué)特性、化學(xué)穩(wěn)定性和“防污”行為，它們?cè)趹?yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用。與第 5 節(jié)中描述的生物傳感器不同，這些電極沒有針對(duì)特定目標(biāo)分析進(jìn)行功能化，它們的優(yōu)化是通過找到所需的氧化（或還原）峰值電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這提出了明顯的選擇性問題，特別是對(duì)于第 4.1-4.4 節(jié)中描述的電極，這些電極僅在 chimico 中進(jìn)行評(píng)估，即僅包含目標(biāo)分析物或分析物與或的混合物的緩沖溶液。兩種常見的干擾物。它們?cè)谏矬w液等復(fù)雜生物基質(zhì)甚至活組織中的操作能力仍有待證明，對(duì)于那些想要在該領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步研究的人來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)重要的研究目標(biāo)。第二個(gè)重要問題是它們的靈敏度（LOD 和/或線性范圍），因?yàn)樯锇吩谌梭w內(nèi)的存在量非常低。血漿多巴胺水平在 0.05 至 0.3 nM 之間，而血漿去甲腎上腺素水平在 0.9 至 8 nM 之間。這些值低于或非常接近電極的線性響應(yīng)范圍，因此意味著它們對(duì)血漿樣品的實(shí)際情況的適用性將需要預(yù)處理步驟以增加分析物的濃度或改善其性能。Roy 等人采用的方法。遏制這些問題的一個(gè)可能策略是：通過在電極表面涂覆陰離子聚合物，LOD 成功降低至 fenomolar 范圍；然而，線性響應(yīng)范圍仍然相當(dāng)高，在微摩爾范圍內(nèi)，值得進(jìn)一步改進(jìn)。de Brosse 等人最近提出了克服敏感性降低的最新策略。60使用油膜復(fù)合保護(hù)室，可以減輕生物流體或親水性溶質(zhì)和溶劑的干擾。與傳統(tǒng)電極（即那些沒有被膜/油覆蓋的電極）相比，這種油膜保護(hù)可以將兩種標(biāo)準(zhǔn)無(wú)機(jī)化合物六氰基鐵酸鹽 (II/III) 和六氨合釕 (II/Ill) 的 LOD 降低 100 倍以上）。雖然這一概念僅針對(duì)兩種無(wú)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行了論證，但它是一種創(chuàng)新且有前途的方法，用于檢測(cè)生物流體中的生物分子，且性能下降的干擾效應(yīng)較少；此外，它不需要改變生物傳感器系統(tǒng)本身，而是需要針對(duì)每個(gè)特定應(yīng)用仔細(xì)選擇半透膜和成分。第 4.5-4.7 節(jié)中描述的電極構(gòu)成了有趣的證明 -應(yīng)用基于金剛石的生物發(fā)射器傳感裝置的概念。腺苷電極，由 Xie 等人測(cè)試。對(duì)切除的大鼠腦組織進(jìn)行檢測(cè)，并顯示其在納摩爾范圍內(nèi)工作，也可用于監(jiān)測(cè)血漿腺苷水平，通常在 0.6-1.1 mM 左右。NADH 傳感器（第 4.6 節(jié)）也在納摩爾范圍內(nèi)工作。應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)調(diào) 給予 Fierroet 等人轉(zhuǎn)發(fā)的電極（第 4.7 節(jié)），該電極已被證明可以在體內(nèi)運(yùn)行，并在癌癥檢測(cè)中取得有希望的結(jié)果。
對(duì)于基于金剛石的生物傳感器，響應(yīng)的特異性是通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)轫憫?yīng)依賴于分析物和有機(jī)受體層上的互補(bǔ)生物分子之間的特定相互作用。這兩種生物分子（RL 處的共價(jià)鍵和目標(biāo)分析物）之間發(fā)生的超分子識(shí)別產(chǎn)生了電極無(wú)法比擬的高度選擇性。生物傳感器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們可以用非常少量的物質(zhì)進(jìn)行操作。樣品：可以將一滴溶液簡(jiǎn)單地放置在基于金剛石的生物傳感器的受體層上。此外，具有電化學(xué)檢測(cè)功能的碳制生物傳感器已被用于檢測(cè)高度增殖的細(xì)胞，例如人乳腺癌分離細(xì)胞系（MDA-MB-231）、乳腺癌分離細(xì)胞系（MCF-7）和肝細(xì)胞癌分離細(xì)胞系（HepG2）， 正如 Suhito 等人所描繪和總結(jié)的那樣，顯示出碳基材料不僅在檢測(cè)生物分子方面具有巨大潛力，而且能夠提供無(wú)標(biāo)記、非侵入性和非破壞性的方法來(lái)檢測(cè)早期癌癥 。這可能是未來(lái)?yè)脚鸾饎偸囊环N有趣的方法。
總之，在生物分子檢測(cè)中，當(dāng)權(quán)衡金剛石基電極與生物傳感器時(shí)，一方面，有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。
▌文章來(lái)源
*部分圖片來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)，無(wú)法核實(shí)真實(shí)出處，如涉及侵權(quán)，請(qǐng)直接聯(lián)系刪除。
粵公網(wǎng)安備 44060602002561號(hào)
網(wǎng)站建設(shè)：優(yōu)網(wǎng)科技
