高性能基于石墨烯的生物传感器,有助于检测血液疾病

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激光诱导的石墨烯叉指电极用于基于无标记适体的生物传感器图像

德国和韩国的科学家将以高适度和低检测限闻名的基于适体的电化学生物传感器在基于激光诱导的石墨烯的新型“无标签”设计中提升了一个新水平,从而为易于应用铺平了道路。即时诊断。

凝血酶是一种酶,它通过帮助将血液保留在受损的血管内而在伤口愈合中起着至关重要的作用,这一过程称为止血。然而,生物学家更感兴趣的是,在异常情况下发现凝血酶浓度升高,因此可用于诊断和监测血液疾病和恶性肿瘤。因此,检测血液中甚至很小浓度的凝血酶至关重要。研究人员团队现在已经设计出一种新颖的生物传感器,用于精确检测血液中的微量凝血酶,具有革新血液疾病诊断领域的潜力。

生物标志物的检测通常由“生物传感器”完成,“生物传感器”由与目标分子相互作用的生物识别元件(受体)和将生物识别信息转换为可测量信号的传感器组成。

传统上,抗体(具有检测和结合特定分子能力的蛋白质)已被用作生物识别元件,但它们不稳定且难以合成。更好的替代方法是“适体”-核酸分子,可以与特定的靶分子结合并且比抗体更稳定。

此外,已知基于适体的电化学生物传感器具有高灵敏度和低检测限,使其成为检测小浓度生物标志物(如凝血酶)的理想选择。唯一的问题是,除非使用“标签”(例如酶或荧光分子)进行标签,否则通常很难检测生物标记。为了使检测过程更容易,更便宜,跳过此“标记”步骤至关重要。


为了实现这一目标,来自德国雷根斯堡大学和韩国忠安大学的科学家团队设计了一种新型的基于适体的生物传感器,该传感器由“激光诱导的石墨烯”(LIG)组成,该材料是高度多孔的,可以互锁的方式形成所谓的“叉指式电极”。

这项研究的首席科学家之一,中安大学李敏镐副教授解释说:“ LIG将石墨烯的高电导率与仅需使用CO 2激光打印机的超容易制造程序结合在一起。此外,高孔隙率和互锁设计提高了生物传感器的灵敏度。”

新设计的生物传感器基于“电容式”感应,该感应依赖于传感器与目标分子的直接结合。在同一小组的较早论文中,科学家基于电化学阻抗谱研究发现,LIG电极在低频下表现出高性能。

在最新的论文中,研究小组利用这些知识来优化他们的生物传感器,并相应地记录了缓冲液和血清样品中不同浓度的凝血酶在0.5 Hz(或每秒半周期)的频率下的响应。他们根据脂质体和聚合物纳米颗粒的电极大小和“标记”来测量其灵敏度和检测极限。

该小组发现,LIG生物传感器可以可靠地检测到超过5个数量级的凝血酶浓度,并且检测限极低,并且随电极尺寸的变化几乎没有。

此外,他们发现无标记的检测与其他纳米颗粒标记的结合效果非常好,仅最小程度地提高了灵敏度或降低了检测限。科学家将这一观察结果归因于电极的高孔隙率主导了传感器的电容响应。

此外,传感器性能表现出良好的可重复性,可重复性和长期稳定性(<7周),证明了其坚固性。

有了如此令人鼓舞的结果,科学家们对基于LIG的适体生物传感器检测凝血酶和其他有用生物标志物的未来前景感到兴奋。Lee博士乐观地总结道:“易于生产,易于修改以及即使在无标签格式下也具有出色的性能,这表明LIG生物传感器可在不久的将来用于即时诊断。通过将适体与我们新的基于石墨烯的电极相结合,电化学免疫测定的商业化将在未来5-10年内实现。”


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