基于细菌模板合成氮掺杂多孔碳纳米棒构建高性能多巴胺传感器外文翻译资料

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基于细菌模板合成氮掺杂多孔碳纳米棒构建高性能多巴胺传感器

摘要

多巴胺（DA）作为一种重要的神经递质，在生理活动中起着重要的作用，其水平异常可引起帕金森病等疾病。然而，DA的临床分析主要依赖于耗时、昂贵的液相色谱和分子光谱仪。我们提出了设计一种丝网印刷电极传感器，用于灵敏和选择性检测DA。用于打印丝网印刷的油墨，以希瓦氏菌为模板的多孔氮掺杂碳纳米棒（N-doped CNR）和Au纳米颗粒（AuNPs），其中氮掺杂增强CN的负电荷静电吸引带正电荷的DA，并具有强吸附，快速转移电子的能力。结果表明，AuNPs在N-doped中具有更多的催化反应位点。该传感器的DA检测灵敏度高，线性范围为0.02-700 mu;M，检测限为0.007 mu;M，具有良好的选择性和优越的灵活性，在可穿戴应用中具有巨大的潜力。该传感器可以进一步准确检测人血清中DA的含量，为临床分析中DA相关疾病的诊断提供了强有力的分析工具。

关键词：丝网印刷电极，多孔氮掺杂碳，Au纳米颗粒，多巴胺检测

1.背景介绍

多巴胺（DA）是哺乳动物中枢神经、肾脏和激素系统中最重要的兴奋性神经递质之一。DA水平异常可导致许多疾病，如帕金森病、阿尔茨海默病和精神分裂症。对于健康个体来说，细胞外液中DA的浓度在0.01-1 mu;M范围内，当浓度过高或过低时都可引起疾病。另一方面，DA可作为静脉注射药物，可提高交感神经系统的心率和血压。因此，实现对血清、尿液、血液、脑组织中DA的敏感、选择性检测，对生理功能和临床诊断具有重要意义。现在已经开发了各种DA检测方法，如高效液相色谱（HPLC）、紫外可见分光光度法、荧光光谱分析、毛细管电泳和电化学。在临床实验室中，HPLC是常用的方法，灵敏度高但需要大而昂贵的设备。诊断过程复杂且耗时，同时需要熟练的操作人员。在上述的分析方法中，电化学方法具有高灵敏度和小型化的巨大潜力，但目前电化学DA传感器的检测范围和检测限仍需进一步改进，以便用来实际临床诊断。此外，抗坏血酸（AA）和尿酸（UA）也有氧化作用，与生物液体中DA共存往往会引起干扰。合成了包括Fe₃O₄@Au纳米颗粒/石墨烯（Fe₃O₄@AuNPs/石墨烯）、纳米孔Au、MnO_2/N掺杂石墨烯复合材料、N掺杂Cu-MOFs和三维分层介孔碳电极材料用来选择性检测DA。虽然这些报道的传感器对DA具有一定的检测灵敏度，但其检测范围较窄，检测限有待进一步提高。此外，上述讨论的大多数传感材料价格昂贵，合成过程复杂。研发新型材料构建电化学传感器件来灵敏地检测DA是非常重要的。

丝网印刷电极（SPEs）具有易于制备、低成本、便携性和小型化能力等显著优势，最近已被研究并广泛应用于构建电化学条带传感器。例如Cagnani等人通过DA传感器的卷对卷涂层技术，用碳黑油墨制造SPEs，但传感器的传感性能相对较差，检测范围为3-50 mu;M，检测限为0.09 mu;M。此外，卷对卷图层技术的制备工艺非常复杂，并依赖于大型设备。Ji等人利用石墨烯和AuNPs对SPE进行修饰，构建了一个选择性检测尿液中DA的集成传感器件，检测限为0.29 mu;M。其他SPE的传感性能也较差，从而限制了它们的实际应用。众所周知，电化学传感器的性能在很大程度上取决于传感材料的物理化学性质。一般来说，传感材料应具有大表面积、高催化活性和快速电荷转移，以实现高传感性能。因此，传感电极材料应采用精细的设计和制造，具有特别的纳米结构和化学成分。近年来，细菌因其物理性质多样、来源广泛、低成本低、易于处理等优点而被用作制造各种各样的纳米/微结构的模板。细菌作为生物模板，可以制造出具有相互连通孔隙率的三维导电多孔碳，从而提供了一个大的比表面，催化活性和耐久性强的材料，特别是腐败希瓦氏菌广泛存在于环境中，可以从具有丰富的水源中回收。此外，经过碳化后这种纳米棒状细菌可以提供重要的多孔支架电极，不仅用于电荷转移/传输，而且还为传输提供内部通道。然而，腐败希瓦氏菌作为一种碳生物模板从未被研究过。在本研究中，我们利用聚苯胺（PANI）包裹的腐烂希瓦氏菌制备生物模板，并进一步开发基于SPE的分析带高性能传感器，用于DA的灵敏和选择性电化学检测。用于打印SPE的油墨包含以细菌为模板多孔氮掺杂碳纳米棒（N-doped CNR）和AuNPs。研究AuNPs/非掺杂CN的理化性质对DA电化学传感性能的影响。分析并讨论了AuNPs/N-doped CNR检测DA的传感增强机理。此外，该分析条进一步用于真实人血清样本中DA的准确检测，生动地展示了其实际应用。

2.实验

2.1实验材料

碳油墨（BQ221）购自杜邦公司（美国）。化学品包括DA、UA、AA、过硫酸铵（APS）均购自SigmaAldrich。磷酸盐缓冲盐水（PBS）、苯胺（ANI）、高氯酸（HClO₄）来自重庆公司。腐烂希瓦氏菌CN32（BAA-1097）是从ATCC订购。人血清购自Gibco。本研究中使用的所有其他化学物质都是分析等级所有实验中使用的去离子水（DI）均由密理孔氏公司的Q-Gradreg;1系统生产。

2.2.AuNPs和N-doped CNRs的制备

为了制备N-dopedCNRs，将腐烂希瓦氏菌CN₃₂在200 mL 10 g/L 新鲜Luria-Bertani（LB）（10g/L肽酯，5 g/L酵母提取物和10g/L氯化钠）中培养与振荡（220 rpm），温度为30°C，直到细胞培养物在600 nm（OD值600）处的光密度达到约1.5。将离心得到的细菌沉淀物通过超声分散重悬于HClO₄中，并冰浴搅拌30 min。将1 mM 的苯胺以稳定的流速加入到上述细菌分散体中。然后，以一定的流速将1 mm的APS加入到分散体中，在冰浴中继续搅拌6 h后得到PANI包裹的细菌。将冷冻干燥得到的PANI/细菌粉末在氩气下碳化2 h（800-1000°C），得到多孔N-doped CNRs。AuNPs的制备。首先，将194 mL二次水加入500mL的圆底烧瓶中，用油浴锅进行加热；然后，在搅拌的情况下加入2 mL 1%（m/V）HAuCl₄水溶液，充分混匀后用油浴锅加热煮沸，并用冷却水进行回流。沸腾后，像烧瓶中加入4 mL 1%（m/V）柠檬酸钠水溶液，继续煮沸30 min至溶液颜色变成深红色且不再变化。将AuNPs与N-doped CNRs超声混合10 min。AuNPs/N-doped CNRs的制备过程如方案1所示。

方案1.AuNPs/N-doped CNRs的合成流程图。

2.3.AuNPs/N-CNRs/SPE的制备

采用CorelDraw软件设计了一个双电极配置的SPE。工作电极（WE）与对数器/参比电极（CE/RE）之间的间隙为0.5 mm。用丝网印刷将电化学生物芯片印刷出来。碳墨水是印在聚酯（PET）薄膜上的。打印后，生物芯片加热到110°C，5 min去除碳墨中的非导电聚合物。对于SPE传感油墨被很好地打印在WE上。

2.4实验设备

扫描电子显微镜（FESEM，JSM-7800F）和透射电子显微镜（TEM，JEM2100，Japan）观察合成材料的表面形貌。采用X射线光电子能谱法（XPS，Thermo250xi，USA）对合成材料的表面性能进行了表征。使用Braunauer-Emmett-Teller（BET，ZQDS-MP-30，美国）进行氮气吸附测量。分别采用BET法和Barrett-Joyner-Halenda（BJH）模型测量和计算了比表面积和孔径分布。用傅里叶红外光谱（FTIR，Thermo-Nicolet，USA）对合成材料的化学基团进行了表征。所有实验均在室温下进行。电化学测量法如循环伏安法CV，电位范围：0.3-0.4 V，扫描速率：50 mV/s）、差分脉冲伏安法（DPV，振幅：50 mV，脉冲宽度0.05 s，样品宽度16.7 ms，脉冲周期0.5 s）。

2.5.人血清样本的检测

将购买的人血清离心，以确保去除大蛋白。应用所制备的DA分析条带检测添加DA的人血清，以研究其实际性能。采用标准方法制备添加DA的血清样品。简单地说，将不同浓度的DA（5、10、25、40 mu;M）加入到离心后的人血清中。DPV检测检测含有AuNPs/N-doped CNR/SPE的人血清样本。通过检测浓度与添加浓度的比值计算回收率。三次重复实验得到所有结果。

3.结果和讨论

3.1AuNPs/N-doped CNR的表征

用FESEM和透射电镜对AuNPs/N-doped CNRs进行了表征。未经PANI涂层的细菌碳化后的形状发生变化（Fig.S1A）。而N-dopde CNRs很好地保持了的结构，平均直径为250-400 nm（Fig.S1B）。在碳化过程中，PANI不仅起到保持细菌形貌的作用而且实现了碳材料中N原子的掺杂。Fig.1A显示AuNPs均匀分布在N-doped CNRs的表面。Fig.1B TEM图中AuNPs很好的分布在N-doped CNRs的表面。从Fig.S1C中的TEM图像中观察到，AuNPs的尺寸约为15 nm。

不同温度下N-doped CNRs的比表面积及相关孔径分布不同。根据N₂吸附-脱附等温曲线分析，如Fig.1C，在900°C下碳化得到的 N-doped CBR_s900的比表面积最大为536.5 m²g^-1。基于BJH模型的孔径分布曲线表明在不同碳化温度下得到的N-doped CNRs 都具有小于10 nm 的纳米孔，N-doped CNRs的纳米孔体积随碳化温度的不断升高而增大，当碳化温度达到900°C时，得到的纳米孔体积最大，但碳化温度继续升高到1000°C时，纳米孔几乎消失，这主要因为在过高的温度下碳化时N-doped CNRs的结构会发生塌陷所导致。用XPS方法研究了AuNPs/N-doped CNR_s900，Fig.1E和F所示XPS谱确定了C、N、O和Au元素的特征峰，证实了AuNPs的存在（Fig.S2）。Au 4f_5/2和4f_7/2的特征峰分别为87.8和84.1eV。进一步确定AuNPs的金属状态。AuNPs/N-doped CNRs的N 1s的特征峰为398.3、400.7、401.4和403.6 eV，分别为吡啶N、吡啶/吡咯N、季铵N和氧化N（Fig.1F）。表S2总结了在不同温度下制备的N-doped CNRs中N的原子百分比，其中掺杂N的CN₉₀₀的N 1s百分比最高。此外，用FTIR光谱进行了进一步的研究（Fig.S3）。与碳化的细菌材料（a）相比，具有宽带。N-doped CNRs（b）证实了PANI的导电形式，其峰在1493 cm^-1左右和124 cm^-1，是PANI的典型的C=C、C-N。所有的峰值都是随着碳化温度（c、d）的升高而逐渐减弱。这些特征清楚地证明了一个AuNPs/N-doped CNRs。

图1.A.AuNPs/N-doped CNRs的FESEM图像，B.AuNPs/N-doped CNRs的TEM图像C.N₂吸附-脱附等温曲线，D.BJH孔径分布的XPS光谱图E.AuNPs/N-CNRs Au 4f谱图F.AuNPs/N-CNRs N 1s光谱。

3.2.DA对AuNPs/N-doped CNR/SPE的电化学行为

在电化学传感器的实际应用中，经常设置两个电极（WE和CE/RE），其中CE/RE的表面积应比传感电极的表面积至少大1个数量级，以避免其偏振偏离测量的预设电位。制备的DA检测生物芯片设计了一个微小的传感电极（直径1.5 mm，表面积1.8 mm²）和一个大的对电极（表面积35.2 mm²），后者的表面积确实比前者大20倍。采用丝网印刷技术制备了电化学生物芯片，制备工艺如Fig.2。在制造过程中，碳材料被打印在PET薄膜上，然后加热以去除不导电的聚合物内容物。然后，将传感材料进一步打印在WE上，然后在室温下干燥。

图2.丝网印刷电极的制作示意图。

用CV、DPV和EIS测量，以50 mV/s的扫描速率测量不同浓度的CV，（Fig.3A和B）表明，DA氧化对N-doped CNR/SPE的峰值电流远远高于没有PANI保护的SPE。所有N-doped CNR/SPE对DA检测均显示出氧化还原。此外，N-doped CNR_S900/SPE的氧化峰电流最高（1.06 mu;A）和所有制备的条状传感器中最负的半波电位（0.06 V），包括SPE（0.16 mu;A，0V），N-doped CNR_S800 /SPE （0.68 mu;A，0.10 V），N-doped CNR_S1000 /SPE（0.36 mu;A，0.10 V），表明N-doped CNR_S900/SPE具有最高的电催化活性，对DA检测的反应表面积最大（Fig.3 A）。此外，AuNPs/SPE在正电位向DA氧化产生较小的氧化值，A

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