爱尔兰科克大学、廷德尔国家研究所Hassan Hamidi等–壳聚糖激光诱导石墨烯（LIG）生物传感器：走向可持续和绿色电子

现代生物传感器可以提供个人健康状况的实时监测，彻底改变传统的医疗保健诊断。随着对这些设备的需求不断增长，新型绿色材料和工艺的发展是确保可持续性的必要条件。在这项工作中，利用一种简单的激光直接写入方法来制造一种新型的绿色激光诱导石墨烯(LIG)葡萄糖生物传感器，其中壳聚糖基生物膜用作写入原料。对生物膜的组成进行了精心的优化，并对激光照射参数进行了优化，以获得具有低片阻和类石墨烯材料光谱特性的生物-LIG结构。采用普鲁士蓝纳米粒子修饰生物-LIG电极表面，并利用伏安法研究了生物-LIG传感器对H₂O₂的电催化性能。H₂O₂在3 μM ~ 1 mM范围内呈线性关系(灵敏度103.4 μA mM^-1 cm^-2，检出限(LOD)1.9 μM)。固定葡萄糖氧化酶后，生物-LIG传感器在25-300 μM(灵敏度为457 nA mM^-1 cm^-2)的相关生理范围内对磷酸缓冲液(PBS)中的葡萄糖呈线性响应。LOD计算值为9.6 μM。此外，生物传感器在人工汗液中也显示出类似的结果。

图1. 壳聚糖生物膜合成示意图(a)。壳聚糖膜照片(b)。激光刻划壳聚糖膜的步骤(c)。写在壳聚糖膜上的三电极设计图像(d)和修饰工作电极以构建葡萄糖生物传感器的步骤(e)。

图2. 在不同壳聚糖薄膜上的生物-LIG的照片(a)、拉曼光谱(b)和R_sheet (c)。矩形特征R_sheet与CO₂激光(步骤1)功率和速度的关系图(d)。不同激光设置下绘制的LIGs R_sheet热图，其中列表示405 nm(步骤2)激光停留时间，行表示CO₂激光(步骤3)的平均功率(e)和速度(f)。

图3. 制备的壳聚糖膜的低倍扫描电镜图像第一步(a)、第二步(b)和第三步(c)。最终制备的生物LIG /PB的高倍扫描电镜图像(d)。生物LIG /PB的能谱图(f)。

图4. LIG电极在含有0.1 M KCI的5 mM Fe(CN)^-3₆中在不同v (20-200 mV s^-1)下的CVs (a)。生物-LIG/PB/Nafion(红色)和未修饰的生物-LIG(黑色)在0.05 M PBS (pH 7.4, 0.1 M KCI)中的CVs;v, 10 mV s^-1 (b)。不同浓度H₂O₂存在时生物-LIG/PB/Nafion的CVs (c)。一系列标准H₂O₂溶液在生物-LIG/PB/Nafion下的典型校准轨迹(d)。

图5. 在0.05 M PBS和0.1 M KCI (pH 7.4)下，FIA记录的峰值电流密度与葡萄糖浓度的关系图(a)。PBS中葡萄糖的校准曲线(b)。连续注射乳酸(LA, 5 mM)、抗坏血酸(10 pM)、尿酸(60 μM)、和尿素(5 mM)加入150μm的PBS葡萄糖溶液中(c)。在人工汗液中制备已知浓度的葡萄糖的典型FIA电流密度记录(d)。

相关研究成果由爱尔兰科克大学、廷德尔国家研究所Hassan Hamidi等人于2023年发表在Biosensors and Bioelectronics: X (https://doi.org/10.1016/j.biosx.2023.100403 )上。原文：Laser induced graphene (LIG) biosensors derived from chitosan: Towards sustainable and green electronics