電化學(xué)生物傳感器是一種將與特定生物識(shí)別單元反應(yīng)而產(chǎn)生的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)的技術(shù)，具有高靈敏度、快響應(yīng)速度、低成本、小型便攜等優(yōu)點(diǎn)，在臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境檢測和檢驗(yàn)檢疫等方面具有重要作用。高催化活性的金屬氧化物識(shí)別單元是電化學(xué)生物傳感技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。然而，金屬氧化物識(shí)別單元電導(dǎo)率低，嚴(yán)重阻礙了反應(yīng)過程中的電子轉(zhuǎn)移過程，傳感性能不佳。因此，從設(shè)計(jì)高效電化學(xué)生物傳感電極結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，構(gòu)建高導(dǎo)電性的納米薄膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換單元來負(fù)載高催化活性識(shí)別單元，成為該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心聯(lián)合研究部薄膜材料與界面課題組研究員姜辛、副研究員黃楠指導(dǎo)博士研究生翟朝峰，利用CVD、PVD和電化學(xué)氧化技術(shù)研制出一種新型金剛石/碳納米墻負(fù)載CuO的三維網(wǎng)狀電化學(xué)傳感電極并用于葡萄糖分子的檢測工作。該電化學(xué)傳感電極表現(xiàn)出寬的線性檢測范圍、高靈敏度、低檢測極限以及良好的選擇性、優(yōu)異的重現(xiàn)性和長期穩(wěn)定性，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該電極在實(shí)際分析人體血清時(shí)呈現(xiàn)出良好的回收率，具有很高的生物分子識(shí)別能力。

圖1 三維網(wǎng)狀金剛石/碳納米墻負(fù)載CuO納米顆粒電化學(xué)傳感電極結(jié)構(gòu)與生物傳感檢測原理圖

圖2 三維網(wǎng)狀金剛石/碳納米墻負(fù)載CuO電化學(xué)傳感器電極靈敏性、抗干擾性、選擇性以及長期穩(wěn)定性測試

分析表明，優(yōu)異的電化學(xué)傳感性能主要源于具有優(yōu)異物理化學(xué)性質(zhì)的金剛石/碳納米墻薄膜電極。一方面，碳納米墻由數(shù)十層近乎垂直于襯底生長的石墨烯片層構(gòu)成，不僅具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和大的比表面積，還具有豐富的高電化學(xué)活性的石墨棱邊、易于傳質(zhì)的開孔結(jié)構(gòu)、不易團(tuán)聚、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)。另一方面，高楊氏模量的金剛石以納米片的形式貫穿整個(gè)薄膜電極，進(jìn)一步提高電極在應(yīng)用過程中的機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這種獨(dú)特的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠加快葡萄糖分子質(zhì)量傳輸，及時(shí)將催化反應(yīng)產(chǎn)生的電子傳輸回電化學(xué)回路，從而表現(xiàn)出卓越的電分析性能和長期穩(wěn)定性。此外，該三維網(wǎng)狀電化學(xué)傳感電極同樣適用于負(fù)載其它生物識(shí)別單元，在高性能電化學(xué)生物傳感器領(lǐng)域展現(xiàn)出較大的潛力。該碳納米結(jié)構(gòu)還將在電化學(xué)能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化、電催化等領(lǐng)域具有研究價(jià)值。相關(guān)研究成果受邀發(fā)表于Small (in press)。

以上基礎(chǔ)研究工作得到國家自然科學(xué)基金、遼寧省科學(xué)技術(shù)基金和沈陽市重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目等資助。