生物標誌物是反映生物體健康狀況的指標，通常從人體排泄物中，如汗液、唾液、尿液等進行取樣。這些液體排泄物的pH可以反映健康狀況，是腎臟Ⅱ型糖尿病、皮炎和真菌感染的重要診斷信息。尿酸(2,4,6-三羥基嘌呤)是腎臟排出的嘌呤衍生物的代謝產物，當體內尿酸濃度過高將可能導致痛風以及心血管或腎臟疾病。因此，需要一個快速可靠的檢測器來監測pH和尿酸水平。
Tailoring the Meso‑Structure of Gold Nanoparticles in Keratin‑Based Activated Carbon Toward High‑Performance Flexible SensorAniruddha B. Patil*, Zhaohui Meng, Ronghui Wu, Liyun Ma, Zijie Xu, Chenyang Shi, Wu Qiu, Qiang Liu, Yifan Zhang, Youhui Lin, Naibo Lin*, Xiang Yang Liu*
Nano‑Micro Lett.(2020)12:117https://doi.org/10.1007/s40820-020-00459-51. 羊毛角蛋白用於原位製備納米金與氮摻雜活性碳複合物。
2. 設計可用於pH和尿素檢測的雙電極和三電極柔性高性能傳感器。
廈門大學林乃波副教授和新加坡國立大學劉向陽教授合作報道了可用於高精度、可靠的檢測體液pH和尿酸水平的金納米顆粒摻雜多孔碳柔性生物傳感器。將金納米顆粒摻雜的羊毛角蛋白作為新型碳前體和穩定劑來製備多孔碳。在500℃碳化溫度下，所得金摻雜多孔碳顯示出優異的脫質子化性能(pH敏感性)，傳感器的pH靈敏度為57 mV/pH，相對標準偏差為0.088%。在700℃碳化溫度下，所得多孔碳材料具有高度sp2結構，對尿酸的氧化表現出良好的導電性和電催化活性。尿酸傳感器在1–150 µM的範圍內具有線性響應的特性，檢測極限為0.1 µM。I結構調控策略
在劇烈攪拌下，向5 mL羊毛角蛋白(WK)溶液(2.5wt%)中加入5 mL的HAuCl4(10×10-3 M)水溶液，調節反應物的pH至10～12，在45℃下保溫12 h，得到金納米粒子和羊毛角蛋白(AuNPs@WK)複合溶液。WK在分子水平上有利於納米結構的調控。一方面，WK通過熱處理可形成N-摻雜的芳環。另一方面，WK分子上大量的二硫鍵是羊毛纖維結構穩定的重要因素。在WK溶液的製備過程中，部分二硫鍵斷裂。每一個斷裂的二硫鍵形成兩個巰基(-SH)，它們不穩定但活潑，可用作還原劑。利用這些不穩定的巰基可以將Au離子還原為Au原子，並通過強相互作用使AuNPs表面吸附WK分子，使其緊密地錨定在獨特的WK分子前體骨架中(圖2)。將經冷凍乾燥製備的固體樣品在氮氣氣氛下於400至800℃碳化，得到AuNPs摻雜碳複合材料，命名為AuNPs@NPWC-400，AuNPs@NPWC-500，AuNPs@NPWC-600，AuNPs@NPWC-700和AuNPs@NPWC-800。
圖1.金納米顆粒(AuNPs)摻雜多孔碳材料的製備。(a)控制製備AuNPs摻雜基於羊毛多孔碳(AuNPs@NPWC)，實現不同功能與應用。在500℃碳化溫度下，吡啶、吡咯等氮含量高的石墨材料對pH傳感敏感，而在700℃碳化溫度下，材料芳構化程度高，孔隙率高，可緊密錨定且良好分散球形AuNPs，對尿酸(UA)傳感更為靈敏。(b)示意圖顯示了AuNPs的原位還原合成，以及最終碳化成AuNPs@NPWC複合材料。II結構表徵
孔隙度的大小取決於揮發性物質的釋放。複合材料中AuNPs可催化並加速前驅體鹼性蛋白質向二氧化碳和氮的演化，從而擁有高孔隙率特性和改性芳香環。圖2b-f所示的TEM圖像顯示了AuNPs的形貌，在700℃的碳化溫度下觀察到尺寸範圍為20-40 nm的球形AuNPs，粒徑分布均勻，而在800℃時，發現了團聚顆粒。圖2g-k所示為TEM圖像，顯示碳化溫度對碳形態的影響，孔隙率和晶格百分比隨溫度升高而增加。在TEM成像之前，通過在乙醇中超聲處理複合樣品數小時，證實了AuNPs被牢固地錨定在多孔碳基體中。圖2l-p為碳化樣品的SEM圖像顯示，碳化溫度從400到700℃時，複合材料的孔隙率增加，而在800℃碳化溫度下，孔隙率下降。孔隙率下降是由於碳在高溫軟化後收縮，導致孔隙縮小或閉合。研究溫度對AuNPs形貌的影響，原位合成的納米顆粒在多孔碳微結構基體中分布均勻，活化溫度從400℃增加到700℃，結構和形貌沒有發生任何破壞，而在800℃下，會導致AuNPs的團聚，表面形貌破壞。X射線粉末衍射儀(XRD)圖(圖2q)表明了複合材料的結晶度。在2θ = 25.8°處，AuNPs@NPWC的衍射峰顯示了石墨晶面(002)，屬於六角共軛碳結構。此外，四個較強的衍射峰對應AuNPs的(111)、(200)、(220)和(311)晶面。與粉末衍射標準聯合委員會的塊體金標準圖比較(JCPDS:65-2870)，所得AuNPs的衍射峰位於同一角度，證實了AuNPs在複合材料中的形成。碳化後的拉曼光譜證實了合成的AuNPs@NPWC的sp2和複合結構(圖2r)。所有光譜都顯示出兩個顯著的譜帶D和G帶，D帶通常歸因於無序碳結構(例如納米管壁上的缺陷、空位、扭結和雜原子)，而G帶則歸因於C-C對稱拉伸。拉曼光譜上在1360和1595 cm−1處獲得的兩個帶是AuNPs@NPWC的D和G帶。當溫度從400℃升高到700℃時，ID/IG比值從0.88增加到1.01，表明碳原子SP2結構的增多。但在800℃時ID/IG下降到0.96，表明無序結構的增加。隨着溫度的升高，碳含量增加，氮、氫含量降低。在高於700℃的碳化溫度下，C/H比幾乎沒有改變，表明化學成分沒有進一步變化。在400、500、600、700和800℃下合成的產物的比表面積(BET)分別為27.09、381.22、452.65、625.06和447.64 m2/g。孔隙率和比表面積的穩步上升的現象，與交聯反應形成的化合物有關。然而，在800℃的高溫下，比表面的下降是由於碳結構的收縮。孔隙率、芳構化程度的結果與之前觀察到的TEM和SEM結果一致。此外，用X射線光電子能譜(XPS)研究了碳化條件對複合材料化學狀態和原子構象的影響，發現C、N、O和Au元素有四個明顯的特徵峰。
圖2. 400～800℃碳化溫度對AuNPs碳骨架和形貌的影響。(a)不同碳化溫度下AuNPs@NPWC的結構示意圖。(b-f)不同碳化溫度下AuNPs@NPWC的透射電鏡(TEM)圖像，顯示了AuNPs的形態和分散性。(g-k)TEM中顯示了碳化溫度對芳構化碳骨架的影響。(l-p)不同碳化溫度下AuNPs@NPWC的掃描電鏡(SEM)圖像和AuNPs分散性情況。(q)AuNPs@NPWC的XRD圖譜(r)AuNPs@NPWC的拉曼光譜。
IIIpH傳感
利用AuNPs@NPWC-400，AuNPs@NPWC-500，AuNPs@NPWC-600，AuNPs@NPWC-700和AuNPs@NPWC-800製備了能夠檢測體液pH的雙電極柔性條傳感器(圖3a)。具有COO-官能團的氮摻雜含碳複合材料具有芳構化碳骨架和N-摻雜結構，表現出對H+離子的高靈敏度(圖3b)。研究了所製備的傳感器在McIlvaine緩衝液pH在4至6之間的上升和下降響應(圖3c)。其中，使用AuNPs@NPWC-500的傳感器具有最高靈敏度為57 mV/pH，相對標準偏差(RSD)為0.088%。我們發現複合材料的靈敏度與結構和化學性質有關。首先，AuNPs@NPWC-500的表面積相當好。其次，吡啶類N1和吡咯類N2的總含量最高，隨着碳化溫度的升高，開始轉移到穩定的石墨N3和氧化N4中。高含量的吡啶N1和吡咯氮對H+更敏感。此外，C-O和C=O含量的增高，減少了以二氧化碳的生成。與無AuNPs摻雜NPWC-500的電極pH響應進行了比較，AuNPs@NPWC-500傳感器的靈敏度明顯較高。在沒有AuNPs的情況下，碳化過程沒有AuNPs的催化作用，導致孔隙率降低，最終使比表面積降低。綜上所述，高脫質子化強烈依賴於高含量的吡啶氮和吡咯氮，以及大量的羧酸基團和良好的孔隙率，AuNPs@NPWC-500在這五種結構中具有最佳比表面積，π-共軛和N-摻雜芳香族結構組合。對利用AuNPs@NPWC-500為工作電極條形pH傳感器進行了進一步的研究。由於人體體液中的pH值通常在3到8之間，因此對基於AuNPs@NPWC-500的pH傳感器在pH為3-8的範圍內重複測試電位，其平均斜率為52.97 mV/pH(圖3c)。當加入1mM Ca2+、1 mM NH4+、1 mM Mg2+、8 mM Mg2+、8 mM K+或20 mM Na+時，傳感器對H+離子的選擇性很高，電位變化為3.3%(圖3d)。為了研究重現性，製作了四個平行傳感器，在pH為3時絕對電位範圍為373.8到377.7mV，靈敏度在每單位濃度55.2到57 mV/pH之間變化。這些傳感器顯示的RSD為0.88%，與先前的報告相比非常小。為了用於製備標準校準曲線和測量體液(即尿液和汗液)的pH值，對pH傳感器的穩定性進行了測試，顯示8小時測量中僅有0.9 mV的偏差。體液定量分析的主要障礙是Cl-對固態Ag/AgCl參比電極的影響，本文中使用基於聚乙烯醇縮丁醛酯(PVB)的Ag/AgCl參比電極克服了這一問題，這是因為PVB層含有Cl-，並且能夠抵抗Cl-濃度的變化。以上測試結果表明，現有的pH傳感器具有準確可靠的分析能力。通過檢測體液來研究pH傳感器的實用性，使用商用pH計(M/s. Thermo-scientific)檢測和驗證人體汗液和尿液樣本的pH值。使用傳感器對體液的定量測試是通過從緩衝溶液的潛在值獲得的校準曲線計算而來的。為了進行真實樣本分析，收集了志願者5份汗液和5份尿液樣本。所製備pH傳感器測量的汗液和尿液的pH與商用pH計所測值相比，最大變化為0.72%和2.09%。這些差異與體液的正常pH值範圍相比相對較小。
圖3.pH傳感器的設計和性能：(a)條狀雙電極柔性傳感器的製備；(b)碳化複合材料傳感器的pH靈敏度；(c)重複性分析；(d)AuNPs@NPWC-500傳感器的選擇性(插圖顯示傳感器的彎折性能)。
IVUA傳感
我們還製備了UA傳感器，所得材料用於UA檢測顯示出高電催化活性，具有高的靈敏度和選擇性。在水溶液中，UA在催化劑修飾的電極上容易被氧化釋放電子。我們的非酶電催化測試表明帶有金屬納米粒子的碳化材料AuNPs@NPWC由於sp2雜化碳結構和零禁帶，是UA電催化氧化的最佳非酶電催化材料(圖4a)。製備了三電極柔性條基電催化系統，用於測定水介質中的UA濃度，該體系具有工作電極、Ag/AgCl參比電極和對鉑電極(圖5b)。首先，利用在不同溫度下碳化材料(AuNPs@NPWC-400,AuNPs@NPWC-500, AuNPs@NPWC-600, AuNPs@NPWC-700, AuNPs@NPWC-800)製備了五種不同工作電極的傳感器。圖4c為使用不同傳感器在0.1 mM UA含磷酸鹽緩衝液(pH = 7)中獲得的伏安圖。結果表明，AuNPs@NPWC-700傳感器與其他相比具有較高的峰值電流。AuNPs@NPWC-700具有較高孔隙率(比表面：625.0586 m2/g)、更多的芳環化結構(圖2i，p和q)，以及(1d，n)良好的AuNPs分布，因此對UA的氧化表現出優異的電催化性能。AuNPs@NPWC-800由於比表面減小(447.6388 m2/g)並發生AuNPs的團聚和形貌破壞(圖3e和o)，因此相應的傳感器對UA催化氧化較慢。從所有碳化樣品反卷積XPS光譜來看，C1s光譜顯示C=C含量隨溫度升高而增加，表明石墨化程度很高，最終會增強電流響應。反卷積的N1s光譜顯示石墨氮的百分比隨溫度的增加而增加，在平面上摻雜N有助於錨定AuNPs，並改善電流響應。AuNPs@NPWC-700電極在1 mM UA情況下的伏安圖顯示UA的氧化峰(圖4d)。微分脈衝伏安法(DPV)在-0.2～1 V的電位範圍內進行，在PBS(pH = 7.0)溶液中測試出UA的氧化峰電位在0.22 V處(圖4e)。峰值電流與UA濃度之間的線性響應範圍為1 µM至150µM，檢測限為0.1 µM(S/N = 3)。據我們所知，AuNPs@NPWC-700電極的線性範圍優於先前報道的UA檢測的金屬納米粒子複合碳基電極。30天後AuNPs@NPWC-700傳感器氧化峰值電流值為第一天的90.15%，顯示出高穩定性和長期耐用性。優異的穩定性歸因於無電催化材料的破壞，從SEM中也可以看出電極材料在使用前後沒有明顯變化。在-0.25～0.75 V電壓範圍內，使用Ag/AgCl參比電極進行了干擾實驗，篩選出可能的干擾物質：葡萄糖(0.1 mM)、抗壞血酸(0.1 mM)、尿素(0.1 mM)和乳酸(0.1 mM)。除尿酸外，其他可能的干擾物質沒有記錄到明顯的峰，這表明所製備的AuNPs@NPWC-700電極對尿酸的選擇性催化氧化性能好。所研製的生物傳感器具有較高的準確度和效率。所得條形傳感器和商用UA傳感器在室溫下對人類尿液樣本中UA濃度之間的相關曲線如圖5f所示，並給出了生物傳感器對UA濃度響應的校準曲線。在實際樣本分析中，採取了10份來自志願者的尿樣，並用PBS(pH = 7)以1:50比例稀釋。使用DPV分析每個稀釋樣品的電流響應，並使用校準曲線圖4e(插圖)計算UA的最終濃度。所制傳感器(X軸)和商用UA檢測器(Y軸)檢測的UA濃度(圖4f)的相關係數為0.9767。
圖4.UA傳感器的設計和性能：(a)非酶電催化UA氧化反應。(b)條形三電極柔性傳感器示意圖。(c)使用不同材料電極在1.0 mM UA的PBS(0.1 M，pH=7)溶液中的循環伏安圖。(d)AuNPs@NPWC-700電極在含有1.0 mM UA和不含UA的PBS(0.1M，pH=7)溶液中的循環伏安圖。(e)AuNPs@NPWC-700電極在不同濃度的UA(1–150 µM)的PBS(0. 1M pH=7)溶液中的差示脈衝伏安(DPV)曲線。相應氧化電流與UA濃度的關係圖(插圖)。(f)所研製的生物傳感器與商業標準UA計的性能相關性。
林乃波
本文通訊作者
廈門大學 副教授
蠶絲，蜘蛛絲等蛋白質纖維材料；柔性生物光電功能材料與器件。以第一作者或通訊聯繫人在Chem. Soc. Rev，Adv. Funct. Mater.，iScience，Small和Chem. Eng. J.等上發表了20餘篇論文。已撰寫兩本專著章節，分別由世界知名出版公司Wiley-VCH和Woodhead Publishing 出版。授權發明專利11項。主持福建省自然科學基金傑出青年和國家自然科學基金面上項目等。▍Email:linnaibo@xmu.edu.cn
劉向陽
本文通訊作者
▍主要研究領域
柔性物質、柔性智能傳感器件、仿生材料、晶體生長、表面以及膠體科學等。
▍主要研究成果
發表SCI論文350多篇，其中Nature 3篇，出版英文專著5部，中文專著1部。在國際國內學術會議及研討會上做大會報告及邀請報告150餘次，主辦國際會議近30場。
▍Email:phyliuxy@nus.edu.sg撰稿：原文作者
Nano-Micro Letters《納微快報》是上海交通大學主辦、Springer Nature合作開放獲取(open-access)出版的英文學術期刊，主要報道納米/微米尺度相關的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc)，包括微納米材料的合成表徵與性能及其在能源、催化、環境、傳感、吸波、生物醫學等領域的應用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知網、萬方、維普等數據庫收錄。2019 JCR影響因子：12.264。在物理、材料、納米三個領域均居Q1區(前15%)。2019 CiteScore：12.9，材料學科領域排名第4 (4/120)。中科院期刊分區：材料科學1區TOP期刊。全文免費下載閱讀(http://springer.com/40820)，歡迎關注和投稿。
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