石墨烯材料由于具有高比表面積、獨(dú)特的電化學(xué)性質(zhì)和生物相容性等獨(dú)特的性質(zhì)，在電化學(xué)生物傳感領(lǐng)域引起了人們的興趣。然而，石墨烯電極的規(guī)模化生產(chǎn)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，它通常是緩慢、昂貴和低效的。將直接寫入(激光劃線和噴墨打印)與印章轉(zhuǎn)移相結(jié)合的方法。在這個(gè)過程中，氧化石墨烯被激光同時(shí)還原和圖案化，然后被壓印在聚酯薄片上。轉(zhuǎn)移的電極用掃描電子顯微鏡、X射線光電子能譜、拉曼光譜和電化學(xué)方法進(jìn)行表征。通過對(duì)大腸桿菌的電化學(xué)測(cè)試，證明了該電極的生物傳感性能。這些生物傳感器具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍(917-2.1×10
7CFU/mL)，只使用5μL的樣品就可以檢測(cè)到低限(283CFU/mL)。測(cè)試也在添加的人工尿液中得到驗(yàn)證。該傳感器被集成到由智能手機(jī)驅(qū)動(dòng)和測(cè)量的便攜式無線系統(tǒng)中。這項(xiàng)工作展示了將這些生物傳感器用于現(xiàn)實(shí)世界中的護(hù)理點(diǎn)應(yīng)用的潛力。
圖1.（a）激光還原氧化石墨烯（LRGO）電極制造工藝示意圖。（i） 通過在限定區(qū)域滴注GO溶液并在60°C下干燥，在聚酯（PE）片材上形成氧化石墨烯（GO）膜；（ii）激光劃線以減少GO膜并使其形成圖案，從而產(chǎn)生LRGO；（iii）將LRGO面朝下放置在期望的基底上；（iv）施加壓力以壓印LRGO；（v）分離后，LRGO的鏡像已被轉(zhuǎn)移；（vi）銀接頭的噴墨印刷；（vii）將聚二甲基硅氧烷（PDMS）澆鑄成介電層；（vii）使用NaClO將Ag轉(zhuǎn)化為Ag/AgCl作為參比電極。（b）與（a）中所示的每個(gè)步驟相對(duì)應(yīng)的照片；（ix）放大最終電極，包括LRGO工作電極（黑點(diǎn)）、LRGO反電極（黑弧）和Ag/AgCl偽參比電極（深棕色弧）以及虛線正方形內(nèi)的PDMS絕緣層。
圖2:（a）LRGO和GO膜之間邊界的SEM圖像，顯示了還原后石墨烯的形態(tài)和形貌變化。（b） LRGO的放大SEM圖像顯示片狀結(jié)構(gòu)。（c） LRGO轉(zhuǎn)移到聚酯（PE）片材上后的SEM圖像，稱為T-LRGO。（d） PE上T-LRGO壓縮片狀結(jié)構(gòu)的放大圖像；插圖是同一區(qū)域的高倍放大圖，以證明片狀結(jié)構(gòu)。
圖3.（a）XPS測(cè)量和高分辨率C1s光譜的（b）GO、（C）LRGO和（d）T-LRGO。測(cè)量光譜顯示激光輻射后O含量顯著降低；GO的C1s光譜顯示了大量氧化碳C–O（286.4eV）和C═O（287.7eV）；C–C（284.4eV）鍵的優(yōu)勢(shì)以及LRGO和T-LRGO中π–π*（291.2eV）的存在證明了激光已經(jīng)降低了GO。
圖4.（a） PE上GO、LRGO和T-LRGO的代表性拉曼光譜，顯示石墨烯的典型D（～1345 cm
-1）和G（～1580 cm
-1）帶；LRGO中的2D帶和降低的ID/IG比指示通過激光劃線減少GO。（b） LRGO的5次測(cè)量的平均2D帶（陰影區(qū)域指平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差），表明LRGO僅包含少數(shù)石墨烯層，即不是多層石墨烯。（c）在0.1 M NaClO
4的乙醇溶液中獲得的循環(huán)伏安圖與LRGO CE（4 cm
2）和Ag線偽參比電極，在插圖所示的一系列掃描速率下。（d） 根據(jù)（c）繪制的電流密度作為掃描速率的函數(shù)，以確定電極的電化學(xué)活性表面積（ECSA）。黑點(diǎn)表示原始數(shù)據(jù)，紅線表示數(shù)據(jù)的線性擬合。
圖5.（a） 智能手機(jī)控制的便攜式無線系統(tǒng)用于大腸桿菌檢測(cè)（不按比例）。（b）說明電化學(xué)酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)（ELISA）的工作機(jī)制。（c）TMB在功能化T-LRGO電極上的循環(huán)伏安圖。（d）不同大腸桿菌濃度的代表性電流與時(shí)間瞬變，記錄為+0.125 V vs Ag/AgCl。
圖6.（a）在+0.125 V時(shí)，大腸桿菌濃度與計(jì)時(shí)電流法的標(biāo)準(zhǔn)化電流響應(yīng)的校準(zhǔn)曲線；用PBS中的商用恒電位儀記錄黑星，用內(nèi)部開發(fā)的智能手機(jī)驅(qū)動(dòng)恒電位儀來記錄綠鉆石，用人工尿液中的商用恒定電位儀（AU）獲得藍(lán)圈。（b）選擇性研究表明，目前的反應(yīng)沒有細(xì)菌（橙色），大腸桿菌（綠色）、金黃色葡萄球菌（紫色）、鼠傷寒沙門氏菌（黃色）、大腸桿菌和金黃色葡萄桿菌（藍(lán)色），以及大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌（粉色）。在所有情況下，每種細(xì)菌的濃度均為10
4 CFU/mL，在最后兩種條件下，每一種細(xì)菌的比例為50:50。（c）對(duì)照實(shí)驗(yàn)要么不含cAb，要么不含大腸桿菌。（d）傳感器穩(wěn)定性研究數(shù)據(jù)在不同條件下儲(chǔ)存1個(gè)月，測(cè)量對(duì)10
5 CFU/mL大腸桿菌的電流響應(yīng)。
相關(guān)研究成果由加泰羅尼亞納米科學(xué)與納米技術(shù)研究所Giulio Rosati、Andrew Piper和Arben Merkoçi等人2023年發(fā)表在ACS Applied Nano Materials (https://doi.org/10.1021/acsami.2c20859)上。原文：Laser Reduced Graphene Oxide Electrode for Pathogenic Escherichia coli Detection。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
