基于碳点修饰的光电化学生物传感器实现可见光下检测葡萄糖浓度

人体内的血糖水平与生命和健康息息相关，血糖水平异常通常会导致低血糖、糖尿病等多种疾病。近年来，许多常用的分析技术被应用于葡萄糖检测，例如荧光分析法、比色分析法、电化学分析法以及光电化学（PEC）分析法等。其中，光电化学检测技术因其传感器携带方便、操作简单、响应速度快以及灵敏度高等优点，在生物检测中得到了广泛的应用。

二氧化钛（TiO2）纳米棒（NRs）具有耐光腐蚀性能好、化学稳定性好、对人体无毒以及制备成本低等优点，已被广泛应用于光电化学传感器。树枝状二氧化钛是一种在纳米棒主干周围生长有纳米枝条的二氧化钛，又称支化二氧化钛（B-TiO2）。基于其出色的光捕获特性和用于电荷载流子收集的高导电通道，这种类型的二氧化钛被认为是开发高灵敏度光电化学传感器的潜在光活性材料。

然而，二氧化钛作为一种宽带隙半导体，通常只在紫外线照射下才有活性，这不仅使其无法有效地利用太阳的全部能量，而且容易导致生物样品在紫外线下被破坏。为了将二氧化钛的激发源扩展到可见光范围，并在提高光电化学传感器性能的同时解决上述问题，研究人员探索了许多技术，包括染料敏化、元素掺杂和与窄带隙半导体的结合等。碳点（CDs）是一种新兴的零维材料，具有体积小、水溶性高、毒性低、生物相容性好等特点。碳点修饰的具有优异光电化学性能的二氧化钛受到了研究者的高度关注。例如，Bian等将碳点与二氧化钛耦合，碳点可以收集电子并帮助吸附重铬酸盐离子，从而使碳点/二氧化钛在铬（VI）光还原中的活性比纯二氧化钛高5.40倍。

据麦姆斯咨询报道，近期，海南大学和海南医科大学的研究人员以碳点/支化二氧化钛为光活性材料，并利用葡萄糖氧化酶（GOx）为识别元件，提出了一种可见光驱动的光电化学酶生物传感器，该传感器可以在可见光下检测葡萄糖浓度。相关研究成果以“Carbon Dot-Modified Branched TiO2 Photoelectrochemical GlucoseSensors with Visible Light Response”为题发表在ACS Omega期刊上。

具体而言，研究人员通过两步法在纳米棒表面生长超薄纳米片，构建了三维结构的支化二氧化钛材料，并且以柠檬酸（CA）和尿素为原料，以简单、低成本的方式合成了碳点。利用该合成方法获得的碳点样品具有许多亲水性官能团（例如氨基、羧基和羟基等），可以为随后的葡萄糖氧化酶固定化提供更好的生物相容性。经过碳点修饰后，二氧化钛对可见光的收集能力明显增强。此外，该研究加入了一定量的抗坏血酸（AA）作为空穴牺牲剂，以保证碳点在检测过程中的稳定性。

图1 碳点/支化二氧化钛制备流程图

在可见光照射后，支化二氧化钛和碳点的电子-空穴对生成。由于碳点的导带位置较高，碳点内部激发的光生电子被注入到支化二氧化钛中。这些电子迅速迁移到FTO玻璃，然后通过外部电路迁移到对电极，从而形成初始光电流。此外，碳点是一种优秀的电子输运介质，可以传递电子并接受支化二氧化钛的光生空穴。因此，在这项工作中，二氧化钛的光生空穴被注入到碳点的价带中。迁移到碳点上的空穴被电解质溶液中的抗坏血酸消耗，从而使碳点得到适当的保护。在溶液中加入葡萄糖后，溶解氧和葡萄糖被葡萄糖氧化酶催化生成过氧化氢（H2O2）和葡萄糖酸，生成的过氧化氢可以与支化二氧化钛的光生电子发生反应，随着电解槽中葡萄糖浓度的增加，不断生成的过氧化氢进一步消耗光生电子，从而减小光电流。因此，不同的葡萄糖浓度可以产生不同的电信号。

图2 碳点/支化二氧化钛/葡萄糖氧化酶（CDs/B-TiO2/GOx）对葡萄糖的光电化学检测机制

接着，研究人员通过在模拟阳光（波长大于420 nm）下检测不同浓度的葡萄糖，研究了该光电化学生物传感器的传感行为。在连续搅拌下，该研究测试了CDs/B-TiO2/GOx电极的光电流密度与葡萄糖浓度的关系（图3a）。研究结果显示，随着葡萄糖的不断加入，光电流密度显著降低，即光电流密度和葡萄糖浓度之间存在良好的线性关系，其相关系数为0.995，具有统计显著性（图3b）。此外，该生物传感器在模拟日光下的灵敏度为1.648 μA/mM/cm²，对葡萄糖浓度的检测范围为0 ~ 9.00 mM，检测限（LOD）（S/N = 3.00）为0.0430 mM。

随后，为了测试该光电化学生物传感器的稳定性，研究人员将CDs/B-TiO2/GOx电极在1.00 mM葡萄糖下间歇性暴露420 s（图3c）。经过9次开/关循环后，CDs/B-TiO2/GOx电极的光电流响应变化不大，表明该传感器具有较高的稳定性。

特异性和选择性是评价传感器性能的基本指标。在该研究中，研究人员利用可能出现在血清中的分子，例如氯化钠、蔗糖、抗坏血酸和尿酸（UA）作为干扰物质来测试该CDs/B-TiO2/GOx生物传感器的性能。如图3d所示，加入上述干扰物质后，该CDs/B-TiO2/GOx生物传感器的光电流密度变化不大。这一发现可能归因于固定在电极表面的葡萄糖氧化酶的选择性，证明了该生物传感器具有良好的抗干扰性能。

图3 （a）0 V时CDs/B-TiO2/GOx在0.100 M PBS（pH = 7.40）中的光电流密度；（b）在0.100 M PBS（pH = 7.40）中CDs/B-TiO2/GOx生物传感器的线性校准；（c）当葡萄糖浓度为1.00 mM时CDs/B-TiO2/GOx生物传感器的稳定性测试；（d）当0.100 M PBS（pH = 7.40）中具有氯化钠（NaCl）、蔗糖（Suc）、抗坏血酸（AA）和尿酸（UA）等干扰物质时，CDs/B-TiO2/GOx生物传感器的光电流密度

综上所述，该研究采用水热法合成了碳点/支化二氧化钛复合材料，并在此基础上成功设计了一种可见光驱动的光电化学酶生物传感器，以用于葡萄糖检测。碳点不仅扩大了支化二氧化钛的光吸收范围，提高了可见光响应密度，而且使碳点/支化二氧化钛复合材料具有更长的光生电子寿命和更快的载流子输运效率。研究结果表明，该研究所制备的碳点/支化二氧化钛/葡萄糖氧化酶（CDs/B-TiO2/GOx）光电化学生物传感器具有良好的稳定性和再现性。因此，该设计为未来开发经济、绿色、实用的葡萄糖检测设备提供了一条可行的途径。

审核编辑：刘清