深港微电子学院汪飞课题组在生物检测方向取得重要研究进展

2022-09-26 科研聚焦 浏览量：12200

近日，南方科技大学深港微电子学院汪飞课题组在多种生物分子的同时检测方向取得重要研究进展。多巴胺和尿酸是人体内两种常见的生物分子，并根据其生理水平，并发挥着重要的生理调节或指标性作用，准确检测多巴胺和尿酸的浓度对相关生物医学研究和临床诊断具有关键意义。然而，二者检测信号之间的相互干扰，以及人体内其他生物分子的影响是提高多巴胺、尿酸生物传感准确性的障碍。汪飞课题组采用酞菁钴纳米棒（CoPc）和石墨烯量子点（GQDs）这两种纳米材料，作为生物分子识别元件成功实现了具备优异抗干扰性的多巴胺和尿酸同时检测。相关成果近期以标题“GQDs Incorporated CoPc Nanorods for Electrochemical Detection of Dopamine and Uric Acid” 接收发表于Advanced Materials Interfaces（IF：6.389）。

CoPc/GQDs复合材料表征结果如图1所示，一方面，CoPc在水热环境下重结晶，且端部向前拉伸成片状分支，最终形成互连网络结构，增加了钴金属催化中心位点，这将增强生物分子检测中的氧化还原反应的进行。同时，GQDs以自下而上的方式由柠檬酸和尿素成功合成，其边缘含有丰富羧基官能团的可显著增强氧化还原活性。GQDs主要通过π-π堆叠、静电吸引的方式和CoPc复合，相关表征结果显示CoPc/GQDs复合材料被成功制备。

图1.（a和b）合成的CoPc/GQD在不同放大倍数下的TEM图像；（c） CoPc/GQD和CoPc的XRD图；（d） GQD、CoPc和CoPc/GQD的FT-IR吸收光谱；（e） GQD和CoPc/GQD的紫外-可见吸收光谱；（f） CoPc/GQD的XPS全谱和Co 2p的核心能级谱（插图）。

多巴胺和尿酸在复合材料生物传感器上的氧化还原反应过程被三电极电化学系统监测，如图2所示，在添加DA和UA后，分别在0.138和0.340 eV的氧化电位处观察到明显的峰，这表明出现了同时检测的电催化行为。值得一提的是，多巴胺和尿酸的峰值电流随着被分析物浓度的增加而增加，且不干扰其各自的氧化电位，表明了电极在同时传感方面的优势。将CoPc/GQDs电极获得的电流响应与DA和UA浓度线性拟合，通过线性回归方程观察到DA响应的两个线性范围2.91-33.38 μM和45.39-164.2 μM，其检测下限（LoD）计算得21 nM。类似地，UA显示出14.56-1549.2 μM的宽线性范围和145 nM的低检测下限。

图2.（a）CoPc/GQDs电极同时检测不同浓度的DA和UA的DPV响应曲线；同时检测（b）DA和（c）UA的氧化电流和其浓度之间的线性关系；（d）CoPc/GQDs修饰电极同时检测DA和UA的机理。

此外，生物传感器的稳定性、可行性分析显示（图3），CoPc/GQDs修饰电极不仅在多次重复测试中表现出优异重复性，而且5个同一批次的不同的CoPc/GQDs电极之间也具有良好的可复现性。同时，在19天的时间稳定性测试中，所提议的电极的性能分别保持在91.7%（DA）和81.9%（UA），因此，传感器具备全面的稳定性。进一步地，在人体体液（尿液）中进行验证，证实修饰电极具有实际应用可行性。总之，这项工作为开发基于金属酞菁的电化学传感器同时检测生物分子的生物医学应用开辟了新的视角。

图3.（a）连续运行十次DPV的CoPc/GQDs修饰电极重复性分析和（b）电流响应；（c&d）五种不同修饰电极的CoPc/GQD的再现性；（e） 选择性分析的DPV曲线和（f）在不含和含有其他干扰化合物的PB溶液中100µM DA和500µM UA的氧化电流。 

汪飞课题组2020级硕士研究生吴博为本文第一作者，课题组内博士生牛高强、张明香和助理教授赵长辉为本文合作作者，研究副教授Rajendran Ramachandran和汪飞副教授为本文共同通讯作者，本文得到南科大化学系许宗祥副教授的合作支持，南科大为论文第一单位。此外，本研究还得到了国家自然科学基金和深圳市科创委的资金支持，南方科技大学分析测试中心亦提供了必要的技术支持。