生物學(xué)基礎(chǔ)研究(細(xì)胞信號測量，DNA測序，細(xì)胞檢測，代謝工程等。在許多與生物傳感器相關(guān)的競爭性技術(shù)中，電化學(xué)檢測方案提供了許多優(yōu)勢，如低檢測限、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)檢測策略中，基于單電極的檢測方案具有與擴(kuò)散限制響應(yīng)相關(guān)的固有缺點。此外，目標(biāo)分子或相關(guān)介體導(dǎo)致電極上的單個電荷轉(zhuǎn)移，這嚴(yán)重限制了傳感器輸出。

 

研究內(nèi)容

 

印度理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一個方案來探索納米間隙電極幾何形狀對生物分子電化學(xué)氧化還原檢測的影響。因此，這是一個與數(shù)值模擬相關(guān)的復(fù)雜挑戰(zhàn)，因為人們需要考慮兩種物質(zhì)的擴(kuò)散以及電極處的非線性巴特勒-沃爾默反應(yīng)動力學(xué)。然而，實驗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)雜的幾何圖形是簡單和顯而易見的——在概念上和實現(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)，檢測限和建立時間具有獨特的縮放趨勢。

 

實驗方法

 

優(yōu)化用于生物分子超靈敏檢測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通用方案。圖中還顯示了一個網(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的廣義方案的等效電路。電極反應(yīng)在邊界節(jié)點引入了額外的相關(guān)電流源。

 

 

用于氧化還原檢測的納米結(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)果也增加了建立時間。這項工作中提出的方法和揭示的見解對電化學(xué)生物傳感器和存儲電池的各種應(yīng)用具有廣泛的意義。

 

 

推薦閱讀：