生物學(xué)基礎(chǔ)研究(細(xì)胞信號(hào)測(cè)量，DNA測(cè)序，細(xì)胞檢測(cè)，代謝工程等。在許多與生物傳感器相關(guān)的競(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)中，電化學(xué)檢測(cè)方案提供了許多優(yōu)勢(shì)，如低檢測(cè)限、非常小的樣品體積，并可用于分析有色或混濁樣品。在電化學(xué)檢測(cè)策略中，基于單電極的檢測(cè)方案具有與擴(kuò)散限制響應(yīng)相關(guān)的固有缺點(diǎn)。此外，目標(biāo)分子或相關(guān)介體導(dǎo)致電極上的單個(gè)電荷轉(zhuǎn)移，這嚴(yán)重限制了傳感器輸出。

 

研究?jī)?nèi)容

 

印度理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一個(gè)方案來探索納米間隙電極幾何形狀對(duì)生物分子電化學(xué)氧化還原檢測(cè)的影響。因此，這是一個(gè)與數(shù)值模擬相關(guān)的復(fù)雜挑戰(zhàn)，因?yàn)槿藗冃枰紤]兩種物質(zhì)的擴(kuò)散以及電極處的非線性巴特勒-沃爾默反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。然而，實(shí)驗(yàn)表明這可以基于電子電路仿真工具方便地解決。此外，縮放到復(fù)雜的幾何圖形是簡(jiǎn)單和顯而易見的——在概念上和實(shí)現(xiàn)上都是如此。基于這種方法，研究表明，隨著電極的納米結(jié)構(gòu)，檢測(cè)限和建立時(shí)間具有獨(dú)特的縮放趨勢(shì)。

 

實(shí)驗(yàn)方法

 

優(yōu)化用于生物分子超靈敏檢測(cè)的電極幾何形狀并不是一件容易的事情。在擴(kuò)散限制條件下，可以得到電極電流的緊湊的分析結(jié)果。然而，類似的分析結(jié)果不適用于更復(fù)雜的電極幾何形狀的優(yōu)化，這需要詳細(xì)的數(shù)值模擬。給定方程所施加的非線性邊界條件。

 

 

基于納米間隙的氧化還原檢測(cè)通用方案。圖中還顯示了一個(gè)網(wǎng)格，在其上傳輸方程被離散化以進(jìn)行數(shù)值求解。

 

 

基于納米間隙的一維氧化還原檢測(cè)的廣義方案的等效電路。電極反應(yīng)在邊界節(jié)點(diǎn)引入了額外的相關(guān)電流源。

 

 

用于氧化還原檢測(cè)的納米結(jié)構(gòu)電極幾何形狀。

 

結(jié)論

 

綜上所述，該研究提出了一種受電子電路啟發(fā)的電化學(xué)生物傳感器數(shù)值模擬策略。結(jié)果表明，雖然納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)致增強(qiáng)的2D擴(kuò)散效應(yīng)，從而更好的電流放大，但是，同樣的結(jié)果也增加了建立時(shí)間。這項(xiàng)工作中提出的方法和揭示的見解對(duì)電化學(xué)生物傳感器和存儲(chǔ)電池的各種應(yīng)用具有廣泛的意義。

 

 

推薦閱讀：