在石墨烯上打孔以提高生物传感器灵敏度

一组研究人员最近在 ACS Applied Nano Materials杂志上发表了一篇论文，证明了特定化学修饰的纳米孔边缘在结合蛋白中的还原氧化石墨烯（rGO）中的有效性。

研究：膜石墨烯中纳米孔边缘用于蛋白质结合的特定化学修饰。图片来源：Design_Cells/Shutterstock.com

石墨烯基生物传感器

由于生物标志物的定量或定性检测和疾病的早期预后的重要性日益增加，生物传感器正变得越来越突出。这种转变需要开发可访问、准确和快速的技术。

基于石墨烯的生物传感器，其中石墨烯被用作换能器或缓冲器，由于石墨烯的特殊性能，如无效应的高介电常数和高载流子迁移率，引起了广泛的关注。

石墨烯与纳米颗粒的结合在以前的研究中已被研究为生物传感器;然而，在开发这种生物传感器的过程中，石墨烯的某些特性可能会影响传感器的检测限。因此，必须修改石墨烯的表面特异性以使其在某些分子中用于生物传感器。

修饰石墨烯纳米孔边缘

在这项研究中，研究人员最初合成了rGO纳米膜（NMG），纳米孔的中心到中心距离为40-60nm，直径为20-25nm，遵循两种基于金纳米岛（Au-NIs）和金纳米颗粒（AuNPs）的不同方法。后来，他们对NMG中的纳米孔边缘进行了特定的共价化学修饰，并评估了它们在捕获生物分子方面的有效性。

rGO-AuNPs是通过在自组装的AuNP单层上沉积rGO单层然后去除NP来制造的，rGO-Au-NIs也以类似的方式形成，不包括自组装的AuNP单层，其被Au-NI层取代。

使用紫外（UV）光谱，红外光谱和扫描电子显微镜（SEM）在去除NI或NP之后和之前表征沉积层。

通过傅里叶变换红外（FTIR）光谱定义和研究了层中的化学基团。

以3-（氨基丙基）三乙氧基硅烷（APTES）为偶联剂，以N-乙基-N′-（3-（二甲基氨基）丙基）碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺（EDC/NHS）为偶联剂，促进NMG纳米孔边缘与抗体等生物部分的偶联。

通过将血管紧张素转换酶2（ACE2）抗体附着在边缘，并随后测量边缘与严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）刺突蛋白的结合能力，研究了NMG边缘的成功修饰和蛋白质结合监测范围。

通过多项对照实验验证了抗体/生物感受器/ACE2蛋白与靶分子/SARS-CoV-2刺突蛋白之间的特异性结合是否成功。

成功实现蛋白质结合

使用AuNP和Au-NIs在rGO层上成功合成了NMG。由于剥落和重新堆叠过程后的变形，rGO薄膜表现为分离的皱纹薄片，表明形成了高质量的rGO层状结构纳米片。

在将rGO单层沉积在载玻片上后，薄片以均匀的背景出现，并在550nm的波长下显示出97.7%的透明度。

GO层的FTIR光谱显示出羟基，羧基，芳香族，羧基，环氧基的特征峰，而化学还原GO或rGO的FTIR光谱缺乏包括环氧基和羟基的氧基团的峰。此外，rGO中氧的特征峰的强度降低，表明GO片的高度降低。

芳香族群代表了1585和1623厘米处唯一剩余的峰^-1在 rGO 中。

退火后NI分布均匀，直径为25~35 nm.在NMG形成后，在纳米孔边缘观察到高浓度的羟基。在1582和1380 cm处观察到与氮氢（N−H）弯曲和碳氢（C−H）摆动相关的吸收峰^-1NMG用APTES进行硅烷化后，表明NMG用APTES功能化。

功能化后，在NMG中观察到胺基团，在1414 cm处有单独的峰^-1，它对应于羧基的氧氢（O−H）弯曲振动。

在1533厘米处观察到酰胺键^-1在 NMG 边缘应用偶联剂后，在 3280 和 1641 cm 处施加更多条带^-1在与ACE2的共价键相互作用之后出现。

酰胺键是在抗体上的羧基和APTES修饰的NMG边缘之间产生的，因为边缘存在胺基。强度的 1641 厘米^-1与NH2-NMG中观察到的峰值相比，抗体相互作用后的峰值更高，表明NH2-NMG上抗体表面功能化成功。

NMG和rGO的FTIR光谱是通过用APTES和EDC / NHS修改和激活它们来测量的。在rGO中没有观察到峰值位置的变化。然而，酰胺键的强度在NMG中显着增加，表明蛋白质结合仅与孔边缘而不是表面结合的特异性。

实时结合测量显示亲和常数为 0.93 × 10⁹M^-1解离常数 （KD） 为 1.08 nM。

综上所述，本研究结果展示了一种多功能且强大的机制，可以对NMG边缘进行特定修饰，以使用NMG作为实时高灵敏度生物传感器。

参考 

Samir, M., Salah, D., Donia, S. and Kasry, A., (2022) Specific Chemical Modification of Nanohole Edges in Membrane Graphene for Protein Binding. ACS Applied Nano Materials,.https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsanm.1c04390