石墨烯 生物传感器：【综述】石墨烯生物传感器：病原体的检测

原标题：【综述】石墨烯生物传感器：病原体的检测

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今年以来，新冠肺炎（COVID-19）疫情在全球范围迅速蔓延，虽然在中国已得到了有效控制，但在北美和东南亚国家仍然十分严重，并呈现控制-反弹现象。这对全人类的身心健康、社会秩序、经济发展带来了严重影响。截至北京时间7月30日，据世界卫生组织发布的实时统计数据，全球累计新冠肺炎确诊病例超过1655万例，死亡人数达65万，并且这些数据仍在不断攀升。在控制病原体引发的流行病传播过程中，能否在第一时间实现高效检测和有效隔离是阻止疫情扩散的关键。因此，针对病原体（细菌、病毒等）发展有力的检测技术显得十分重要。

随着纳米科学和纳米技术的快速发展，利用纳米材料辅助生物传感器以提升检测性能备受关注。纳米石墨烯具有优良的光、电理化特性，在过去的十多年中，基于石墨烯的光学、电化学生物传感器得到了大力发展。石墨烯生物传感器具有检测对象广、功能可调、信号转换方便、灵敏度高等优势，在病原体检测方面已被逐渐研究和报道。其传感原理和相关技术在其它类型生物传感器的构建中亦可借鉴。

近日， 湘潭大学环境与资源学院 冯波教授团队和 长沙理工大学化学与食品工程学院 卿志和副教授，基于其在生化传感方面的研究基础，针对石墨烯生物传感器在病原体检测方面的研究进展，在国际生物传感领域顶级期刊 Biosensors and Bioelectronics(IF: 10.257) 上发表了题为“ Graphene biosensors for bacterial and viral pathogens”的综述文章。该综述总结了 用于病原体（细菌和病毒）检测的石墨烯生物传感器的发展，主要包括纳米石墨烯材料的制备、性质和生物功能化修饰，以及石墨烯生物传感器的构建及其工作机理、检测性能等，并讨论了该领域目前面临的的挑战以及未来的发展方向，以促进病原体高效检测技术的发展。

图1、石墨烯生物传感器的功能化及其对病原体的检测技术。

该工作得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、湖南省教育厅研究基金的资助。文章第一作者为湘潭大学研究生 蒋子欣，通讯作者为湘潭大学 冯波教授、 卿太平博士，以及长沙理工大学 卿志和副教授。

Graphene biosensors for bacterial and viral pathogens

Zixin Jiang, Bo Feng, Jin Xu, Taiping Qing, Peng Zhang, Zhihe Qing

Biosens. Bioelectron., 2020, 10.1016/j.bios.2020.

导师介绍

卿志和

冯波

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石墨烯 生物传感器：国外研究人员研发石墨烯生物传感器监控食品的新鲜度和安全性

　　6月29日消息，据外媒报道，国外研究人员将他们新的打印传感器浸入金枪鱼肉汤中，观察读数。结果证明，用高分辨率的气溶胶喷射打印机在柔性聚合物膜上打印并经过调整以测试组胺、变应原和变质的鱼和肉的指示剂的传感器，可以检测到百万分之3.41的组胺。
究人员正在使用气溶胶喷射印刷技术来创建这些石墨烯生物传感器，这些传感器可以检测出组胺，一种变应原和变质的鱼和肉的指示剂。
　　美国食品和药物管理局（US Food and Drug Administration）已将鱼类中的组胺标准设定为百万分之50，使传感器的灵敏度足以跟踪食品的新鲜度和安全性。
　　使传感器技术成为可能的是石墨烯，这是一种碳蜂窝，只是一个原子厚的超级材料，并且以强度、导电性、柔韧性和生物相容性着称。使石墨烯在一次性食品安全传感器上实用是一种低成本的气溶胶喷射印刷技术，其精确度足以创建电化学传感器检测小分子（例如组胺）所需的高分辨率电极。
　　爱荷华州立大学机械工程学副教授、该研究项目的负责人之一乔纳森·克劳森说：“这一高分辨率至关重要，一般来说，我们越靠近这些电极指，这些生物传感器的灵敏度就越高。”
　　克劳森和其他项目负责人-爱荷华州立大学机械工程副教授卡门·戈麦斯（Carmen Gomes）、美国伊利诺伊州埃文斯顿市西北大学材料科学与工程学教授Walter P. Murphy和Mark Hersam最近在《2-D Materials》杂志在线发表的一篇论文中报道了他们的传感器发现。美国国家科学基金会、美国农业部、空军研究实验室和美国国家标准与技术研究院均对该项目提供了支持。
　　该论文描述了如何将石墨烯电极以气溶胶方式印刷在柔性聚合物上，然后通过将组胺抗体与石墨烯化学结合而转变为组胺传感器。
　　Gomes说，组胺会阻止电子转移并增加电阻，电阻的变化可以由传感器测量和记录。这种组胺传感器不仅适用于鱼类，因为食物中的细菌会产生组胺，因此，它可以很好地表明食物的保质期。”
　　研究人员认为，该概念也可以检测其他种类的分子。他们在文章中写道：“除了这里介绍的组胺案例研究之外，（气溶胶喷射印刷）和功能化过程可能还可以推广到各种传感应用，包括环境毒素检测、食源性病原体检测、可穿戴健康监测和健康诊断。”
　　研究人员写道，例如，通过切换与打印传感器相连的抗体，它们可以检测沙门氏菌、癌症或禽流感等动物疾病。
　　克劳森（Claussen）、赫尔萨姆（Hersam）和其他合作者（请参见侧栏）通过修改气溶胶喷射印刷的传感器以检测细胞因子或炎症标记物，证明了该技术的广泛应用。ACS Applied Materials＆Interfaces最近发表的一篇论文中报道了这些传感器，它们可以监测牛的免疫系统功能，并在早期检测出致命的和传染性的副结核病。
　　从事印刷石墨烯研究已有多年的克劳森说，这些传感器的另一个特点是使其非常有用：它们不需要花费很多钱，并且可以扩大规模以进行大规模生产。
　　克劳森（Claussen）和戈麦斯（Gomes）对食品行业以及食品安全测试有一定的了解。克劳森（Claussen）是纳米科技公司（NanoSpy Inc.）的首席科学官，戈麦斯（Gomes）是爱荷华州立大学研究园的一家新兴公司，向食品加工公司出售生物传感器，是一家新兴公司。
　　他们说，该公司正在获得这项新的组胺和细胞因子传感器技术的许可，毕竟，这是他们在商用传感器中寻找的东西，这是一个廉价、可扩展的生物传感器平台。
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石墨烯 生物传感器：基于石墨烯的生物传感器的技术研究

摘要：

生物传感器是一种可以将生物学信号转换为电学信号的分析设备,与传统传感器相比具有成本低、特异性高等不可比拟的优势,因此被视为检测分析领域的重要技术。石墨烯作为一种新型二维纳米材料,因其在电学、光学和机械性能等方面的优良性能引起了研究者们的广泛关注。石墨烯与生物传感器的结合为高灵敏度、高选择性的探测和分析生物分子提供了可能。本文以还原氧化石墨烯材料为基底,以乙酰胆碱酯酶作为分子识别元件,以石英晶体微天平为换能器,制备了用于探测DMMP气体的石墨烯生物传感器,并对传感器的敏感特性,及工艺参数对其性能的影响进行了探究,主要内容如下:(1)首先,采用吸附法作为乙酰胆碱酯酶的固定化方法,研究了石墨烯基底对传感器性能的影响,并研究了该固定化方法制备的传感器的重复性、稳定性,结果表明:经石墨烯修饰的电极表面更有利于酶的附着,吸附法制备的传感器在10mg/m3-25mg/m3DMMP浓度范围内具有良好响应(R2=0.9965),且在25mg/m3DMMP气氛环境下表现出良好的重复性,但其稳定性不佳。其次,分别研究了pH值、石墨烯的量、固定化时间等工艺参数对传感器性能的影响,研究结果表明:每一种酶都有其最适pH值,基于吸附法制备的传感器的最适pH值为6.8；石墨烯大的表面积提高了酶的附着量,传感器在石墨烯的量为0.04ml时具有最佳性能；采用吸附法对酶膜进行固定,经过12h的吸附,电极表面酶吸附量达到饱和。(2)采用交联法对乙酰胆碱酯酶膜进行固定,并对其重复性和稳定性进行了测试,结果表明:交联法制备的传感器在10mg/m3-50mg/m3 DMMP范围内的响应具有很高的灵敏度,在40mg/m3 DMMP气氛环境下有良好的重复性,且7天后器件表面的酶膜仍然保持较高的活性。最后,探究了pH值、石墨烯的量、固定化时间及交联剂浓度等工艺参数对传感器性能的影响,研究结果表明:基于交联法制备的传感器的最适pH值为6.8；石墨烯良好的抗菌性和生物相容性有利于酶膜的保存,交联法制备的传感器在石墨烯的量为0.03ml时保存7天后响应仅衰减21%,综合性能最佳；采用交联法制备酶膜时交联反应在4h后完成；戊二醛浓度过低会使交联反应不完全,浓度过高时,过量的戊二醛使酶的活性中心封闭,影响酶与DMMP接触与扩散,采用交联法制备的传感器在戊二醛浓度为5wt%时具有最佳性能。

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石墨烯 生物传感器：石墨烯生物传感器原理，你了解吗！

石墨烯生物传感器，一种新型的生物传感器类型，它利用了石墨烯的化学反应作为运行的原理。在很多行业中，石墨烯生物传感器有着大量的市场需求，比如医疗、电子、航空等技术领域，下面，传感爱好者就为大家介绍一下石墨烯生物传感器的原理，希望能对大家提供帮助作用！
石墨烯生物传感器原理
石墨烯基于生物传感技术，其具备有良好的的化学性质。
一般能够固定住各种生物分子，因而也能超出普通的碳电极的运用范围，比如经过用葡萄糖氧化酶能够对石墨烯进行功能化，可以做成葡萄糖酶基传感器；再经过用DNA对石墨烯进行功能化以后，可以做成基因传感器；经过用抗体修饰石墨烯等等。因为实验证明将石墨烯直接运用在传感器中，由于纳米级石墨烯容易聚沉，因此并没有达到预期的效果，因此对石墨烯的修饰就变得尤为重要。
石墨烯生物传感器分类：
石墨烯生物传感器现状是传感器领域的一大热门发展方向，我们通常可以对市面上常见的石墨烯生物传感器进行以下的分类：
1、过氧化氢酶传感器
基于单面石墨烯纳米材料和酶的复合膜的过氧化氢生物传感器中，采用了一种芳香性物质—1,3,6,8-芘四磺酸四钠盐(TPA),能够高效的将石墨剥落成单层片状的石墨烯。
2、免疫生物传感器
一个基于石墨烯片和硫堇（TH）的纳米复合材料新的免疫传感平台用于制作无标记的电化学免疫传感器。由于石墨烯有打的表面积能够增加Ab1的吸附量，同时其良好的导电性能够增强硫堇的电活性。用甲胎蛋白作为模型，运用修饰硫堇后抗原抗体作用时峰电流的变动来检查。
3、葡萄糖氧化酶传感器
基于石墨烯、壳聚糖、纳米金的复合物固载葡萄糖氧化酶的金电极的新型葡萄糖生物传感器。在这里，搭建了一种新的酶固载基质，旨在结合石墨烯、纳米金、壳聚糖的优势，加强的生物传感性能。从而产生的石墨，纳米金壳聚糖复合材料表明对过氧化氢与氧气明显的电催化作用。
关于石墨烯生物传感器原理介绍就到这里了！其基本运作原理都是基于一些生物化学反应。看完本文以后，您是否对石墨烯生物传感器的认识又深入一步了呢？石墨烯作为一种重要的能源物质，在生物传感器应用中也担任着非常关键额的环节，而在今后，生物传感器的应用也会变得越来越加广泛。