JACS：具有阿托摩尔级检测限的石墨烯基葡萄糖传感器

背景介绍

葡萄糖是体内细胞活动的主要能量来源，保持其在血液中的最佳浓度至关重要。然而，某些患者患有影响葡萄糖加工的代谢紊乱。糖尿病是一种损害葡萄糖调节的主要代谢紊乱，影响全球4亿多人，预计到2045年将影响多达7亿人。这种情况的特征是胰岛素分泌或作用缺陷导致的高血糖。如果没有适当的管理，糖尿病可能会导致严重的并发症，如失明、心血管疾病、神经损伤，甚至癌症。存在许多葡萄糖测量方法，并且正在努力实现功能性连续葡萄糖监测。葡萄糖传感器的范围从光学（通过使用倾斜光纤、光子晶体或液晶）到电化学（通过功能化石墨烯衍生物和改性或裸电极）。本质上讲，它们可以分为非酶或酶。非酶传感器依赖于葡萄糖的直接电化学氧化，这是由电极材料的固有催化特性引起的，电极材料可以是金属（如Pt、Au或Cu）、聚合物或碳基的。这些传感器在概念上简单、通用、低成本、高度稳定且耐用。然而，它们缺乏生物识别探针，这在检测体液等高度复杂介质中的任何分析物时至关重要。尽管由于环境因素，酶葡萄糖传感器的成本更高，并且随着时间的推移容易降解，但酶葡萄糖传感器对葡萄糖提供了无与伦比的灵敏度和选择性。葡萄糖识别元件的整合，如葡萄糖氧化酶（GOx）酶，仅在暴露于葡萄糖时才允许选择性转导。（酶促手指穿刺传感器适用于在家准确监测血糖水平（正常4.4-6.7 mM，糖尿病>7 mM），但这些可能被认为是侵入性的、不舒服的和有风险的，导致30%的患者不愿意或排斥。其他生物流体，如眼泪和唾液（眼泪日间值：正常0.03-0.2 mM，糖尿病患者>0.4 mM；唾液日间值：标准0.1-0.2 mM；糖尿病患者>0.3 mM），已被提出作为诊断生物流体来代替血液。它们被认为是无创血糖监测的理想选择，但与基于血液的检测相比，它们较低的葡萄糖浓度需要更高的灵敏度。目前，基于泪液和唾液的葡萄糖传感器还没有取得足够的进展，无法进入市场。

近年来，石墨烯已成为电子和传感技术的关键材料。利用高表面积与体积比、优异的载流子迁移率和易于功能化，石墨烯代表了一个理想的平台，可以与周围环境有效地相互作用，并以高灵敏度对外部刺激作出反应。特别是，将生物相互作用转化为可测量的电信号的能力对于生物传感非常有价值。石墨烯场效应晶体管（GFET）已被实现为生物传感器，能够以极低的浓度和极高的精度检测从气体到生物分子的各种分析物。使用特定识别元件的修饰可以微调GFET的选择性，即使在复杂的体液中也是如此。电解质门控石墨烯场效应晶体管（EG-GFET）利用了一种基于电解质中电荷载流子和石墨烯层之间直接相互作用的高效局部门控机制。这种相互作用诱导了双电层（EDL）的形成，这显著增加了器件的电容和跨导。电解质内离子浓度或电荷分布的变化仅限于德拜屏蔽长度，有效地传递到石墨烯通道，从而产生高灵敏度。

本文亮点

1. 本工作提出了用葡萄糖氧化酶功能化的电解质门控石墨烯场效应晶体管。开发了一种优化的制造工艺，在小型化的1000 μm²占地面积内集成了32个晶体管矩阵，确保了高器件均匀性，同时能够在40 μL分析物体积内进行检测。
2. 研究结果表明，在纳摩尔-毫摩尔葡萄糖浓度范围内，石墨烯通道中的p型掺杂和拉伸应变。葡萄糖的酶催化氧化在石墨烯通道附近产生过氧化氢，导致狄拉克点电压系统性地向更正值偏移。在这些条件下，生物传感器达到了阿氏检测极限和10.6 mV/decade的灵敏度，优于之前报道的葡萄糖传感器。
3. 针对乳酸和抗坏血酸等常见干扰物的选择性测试，以及在人工和人类眼泪中的验证，证明了其在现实世界应用中的稳健性。

图文解析

图1. GOx固定化过程中石墨烯功能化过程的表征。（a） 功能化过程示意图。（b） 石墨烯上固定GOx分子的每个阶段的拉曼光谱：原始石墨烯（Gr，黑线）、PBASE改性（Gr/PBASE，红线）和GOx固定（Gr/PBSS/GOx，蓝线）。每个光谱是1500次测量的平均值。（c） 图1b中用于计算平均光谱的Gr、Gr/PBASE和Gr/PBASE/GOx的1500次测量的2D与G频率图。红色虚线是具有不同孔密度（n）的无应变石墨烯的（ωG，ω2D）的平均值，而黑色虚线表示在随机取向的单轴应力下电荷中性石墨烯的预测值。（d） 每个石墨烯官能化阶段的水接触角（WCA）测量结果显示，石墨烯转移后疏水性增加，官能化后疏水性降低。每个WCA值是10次测量的平均值。（e） 解卷积Gr、Gr/PBASE和Gr/PBASE/GOx的高分辨率C 1s和（f）N 1s光谱。

图2. 在用于葡萄糖传感的功能化过程的每个步骤后，对EG-GFET进行电气表征。（a） 每个功能化阶段后测量的一个EG-GFET的传输曲线，以及（b）50个晶体管的VDIRAC各自的平均值（数据以平均值±标准误差平均值（sem）表示）。EG-GFET的示意图如图2b的插图所示。石墨烯的传输曲线对称地以最小IDS点为中心，发生在栅极电压VDIRAC处。这是沟道电导率达到最小值的点。曲线中的尖锐分支表示空穴传输（在左分支上）和电子传输（在右分支上）。

文章信息

Graphene-Based Glucose Sensors with an Attomolar Limit of Detection

第一作者：Vicente Lopes

通讯作者：Andrea Capasso，Pedro Alpuim

通讯单位：葡萄牙国际伊比利亚纳米技术实验室，米尼奥大学

DOI: 10.1021/jacs.5c03552