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基于单壁碳纳米管的新冠病毒生物传感器

时间:2021-06-18 点击次数:

石墨烯是一种以sp?杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料,具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。看到石墨烯的结构,可能有小伙伴展开想象力,如果把石墨烯卷起来,卷成一个卷,会变成什么东西呢?

这就是碳纳米管,它的主体由六边形碳环构成,可以说是单层石墨六边形网络卷曲形成的无缝中空管。其实在此之前,碳纳米管已经在一些研究中发现并制造出来,只是当时人们还没有认识到它是一种新的重要的碳的形态。

在20世纪70年代末,就有新西兰科学家发现在两个石墨电极间通电产生电火花时,电极表面生成小纤维簇,进行了电子衍射测定发现其壁是由类石墨排列的碳组成,这实际上已经观察到了多壁碳纳米管。在1991年日本NEC企业基础研究实验室的电子显微镜专家在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时,发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是碳纳米管。

碳纳米管的硬度和金刚石相当,却拥有良好的柔韧性,可以拉伸,重量极轻,导电性极强,可以说是兼有金属和半导体的性能。

由于不会在生活中直接接触到,造成碳纳米管不太知名,但事实上,它的应用领域很广,对社会的推动作用很大,在集成电路、存储、电池、医疗、生物传感器、电磁材料等方面都有巨大的应用潜力。近期有研究人员提出了一种基于修饰单层碳纳米管的生物传感器,可以进行快速新冠检测,通过近红外光谱获得检测结果。研究者将与SARSS-CoV-2病毒蛋白相匹配的蛋白探针固定在了单层碳纳米管基底上,该传感器把蛋白作为感应基团、把单层碳纳米管作为信号转换器、利用荧光输出作为蛋白识别标志,可对于特定目标蛋白进行检测。

该技术的一个重要难点就是如何将蛋白探针固定到碳纳米管上。过往的研究者一般是使用酶或者proteinA,而此处,他们采用了人宿主细胞膜蛋白ACE2来将蛋白探针结合在了碳纳米管上。据其自述,这种非共价键的修饰方式使碳纳米管完全无损,非常有利于荧光检测。

该传感器使用荧光检测,90分钟后,SARS-CoV-2s-RBD引起的碳纳米管生物传感器荧光反应峰值最大位于1130nm处,ΔF/F0=99.6%。

碳纳米管生物传感器一般都是经化学改性的碳纳米管组成,当激光照射时,碳纳米管会自发地发出荧光。研究人员在碳纳米管上涂覆DNA、蛋白质或者其他可以结合特定靶标的分子,当这些分子与靶向结合时,人们能够观测到碳纳米管的荧光变化,本文中的传感器也是利用这一特性,可以说这种基于碳纳米管的生物传感器具备广阔的研究前景。

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