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深港微电子学院本科生在生物传感器研究中取得新进展

2020-08-31科研聚焦

近日,我院2017级本科生葛成杰在汪飞副教授和Ramachandran Rajendran研究助理教授的指导下,成功制备了基于CeO2及其有机金属骨架的多巴胺生物传感器。该器件具有良好的检测极限和稳定性。实验结果表明,该传感器的检测极限为0.292μM,线性范围是0.292μM——7.8μM。该传感器具有制备简单、灵敏度高等优点,在多巴胺的检测中有着广阔的应用前景。该文章近期发表于Sensors期刊(IF: 3.275, JCR一区)。

文章链接:https://www.mdpi.com/1424-8220/20/17/4880

背景介绍

多巴胺(DA)是最丰富的儿茶酚胺类神经递质之一,在人类大脑中起着关键作用。异常的多巴胺含量会导致一些疾病,如大脑老化、帕金森综合症和精神分裂症。因此,在中枢神经系统中检测多巴胺分子正成为生物传感器领域的一个必要和重要的任务。到目前为止,多巴胺分子的检测方法很多,如分光光度法、滴定法、化学发光法和电化学法。其中,电化学检测方法具有灵敏度高、成本低、选择性好等优点。因此,电化学检测多巴胺被认为是有效的实际应用。

二氧化铈是一种稀土金属元素,由于其简单的氧空位形成优异的生物相容度,在生物分子传感方面有着较为优秀的表现,但是纯二氧化铈的电导率很差,用于多巴胺的检测仍具有挑战性。所以在该实验中我们巧妙的使用二氧化铈和二维材料硅氧烯以及g-C3N4相结合。由于二维材料的协同作用,复合材料具有良好的多巴胺检测功能,可用于未来的电化学传感器的应用。

工作亮点

1.     采用简单的湿化学法和热解法,制备工艺较为简单。

2.     在350℃和450℃的温度下进行热分解,通过观察其XRD衍射图和SEM图片确定最佳热分解温度。

3.     比较分析了不同的二维复合材料对多巴胺传感性能的影响。

4.     对比了多种干扰样品,进一步论证了传感器的选择性。

图1给出了样品的SEM图片,从图中可以看出无论在哪种分解温度下,样品均有着丰富的孔隙结构,为反应提供了足够的活性位点。

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图1:(a,b)Ce-MOF;(c,e,g)在350℃下热分解得到的CeO2、CeO2/siloxene、CeO2/g-C3N4;(d,f,h)在450℃下热分解得到的CeO2、CeO2/siloxene、CeO2/g-C3N4

图2a和2b表示了传感器的检测极限和线性范围,传感器的检测极限为0.292μM,线性范围是0.292μM——7.8μM。图2c和2d展示了该传感器的恢复特性,在五次的循环测试下,该传感器表现稳定,峰值电流几乎无波动。

图3a和3b为传感器的选择性测试,可见在AA(抗坏血酸)、UA(尿酸)、Rutin(维生素P)等生物分子的存在下几乎无响应,体现了该传感器良好的选择性。图3c和3d为该传感器的稳定性测试,可以看出,在长达十五天的测试中,传感器始终能保持85%以上的性能。在不进行实验时,仅仅把电极放入冰箱中,没有做其他保护措施,可见传感器具有良好的稳定性。

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图2:(a)不同浓度多巴胺的DPV曲线;(b)传感器的线性范围拟合;(c)在同一个环境和浓度下的五次重复实验;(d)五次实验的峰值电流对比

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图3:(a)加入不同生物分子后的DPV曲线;(b)DPV曲线的峰值电流;(c)十五天内的传感器的稳定性测试;(d)十五天内传感器峰值电流的比较

课题组介绍:

      汪飞课题组近年来研究重点围绕微纳能量收集技术以及用于环境及人体健康监测的微纳传感器等,已出版英文专著3章节,累计发表学术论文160余篇,其中SCI期刊论文80余篇(3篇封面,1篇ESI高被引论文),包括Applied Energy、IEEE EDL、Sensor and Actuators A&B、J.MEMS、JMM等领域一流期刊。汪飞副教授2020年被推选为微纳传感器领域顶级国际会议Transducers 2021执行委员会委员(大陆仅两名),2019年获得IEEE MEMS 2020会议邀请报告(全球8名,大陆唯一)。课题组研究工作长期获得了国家自然科学基金、广东省自然科学杰出青年基金、深圳市科创委及南山区等各项经费支持。




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