局域表面等离子体共振增强超低含量铋掺杂金气凝胶的非酶电化学葡萄糖传感性能

开发高灵敏的生物传感器是疾病诊断等领域的研究热点，构建高性能的信号放大策略用于目标物的高灵敏检测具有重要意义。近日，华中师范大学朱成周教授（点击查看介绍）团队报道了一种组分调控策略合成超低含量铋掺杂的金气凝胶，结合局域表面等离子体共振效应（LSPR）实现了非酶电化学葡萄糖的高灵敏检测。

随着健康时代对临床诊断生物学、食品质量检测、药物分析的需求日益剧增，构建高灵敏的非酶电化学葡萄糖检测传感平台是社会学和病理学领域面临的挑战之一。Au基纳米材料具有优异的催化活性和良好的生物相容性，在非酶电化学葡萄糖传感器中具有广阔的应用前景。然而，合理设计高活性的Au基纳米材料来实现电化学生物传感的信号放大是一个巨大的挑战。

华中师范大学朱成周教授团队报道合成的具有LSPR的超低含量Bi掺杂的AuBi气凝胶为非酶电化学葡萄糖的高灵敏检测提供了新的解决方案。贵金属气凝胶（noble metal aerogels，NMAs）作为一种新兴的三维纳米组装材料，具有超低密度、高孔隙率、大比表面积等特点，在电催化、生物传感、光电子学等领域具有广阔的应用前景。通常，超低含量金属与金属载体之间强的相互作用，能有效调控催化剂的电子密度并优化反应物在催化剂表面的吸附强度，是提高NMAs催化性能的有效策略。此外，Au具有独特可调节的LSPR特性，在合适的偏压下，由于能级匹配，小分子的氧化可以消除催化剂表面产生的空穴，这一过程能显著抑制热电子与空穴的复合，有效加速电化学反应。受此启发，LSPR有望进一步增强AuBi气凝胶的电催化葡萄糖氧化性能，实现非酶电化学葡萄糖传感器的信号放大（图1）。

图1. 等离子体增强超低含量铋掺杂金气凝胶用于非酶电化学葡萄糖检测示意图。

作者通过一步原位还原策略合成了超低含量Bi掺杂的Au气凝胶（Au₂₀₀Bi）（图2A）。Au₂₀₀Bi气凝胶呈现出三维多孔的纳米线网络结构（图2C和D）。HAADF-STEM和相应的元素分布图证实了Au和Bi元素均匀地分布在整个结构上（图2I和J）。此外，通过EDX线扫发现Bi的含量远低于Au的含量（图2K）。

图2.（A）Au₂₀₀Bi水凝胶的合成示意图。（B）Au₂₀₀Bi气凝胶的数码照片。Au₂₀₀Bi气凝胶的（C）SEM，（D）TEM，（E）HRTEM，（F）放大的HRTEM图，（G）SAED，（H）HAADF-STEM和相应的元素分布。（I和J）Au₂₀₀Bi气凝胶对应的EDX映射图。（K）Au₂₀₀Bi气凝胶的EDX线扫图。

相对于Au气凝胶，由于Au和Bi之间的协同作用，Au₂₀₀Bi气凝胶显著提高了葡萄糖的电氧化活性（图3A）。由于LSPR产生的光热和光电效应，具有更宽光依赖特性的双金属Au₂₀₀Bi气凝胶进一步表现出LSPR促进葡萄糖电氧化活性（图3B）。同时提出LSPR激发下Au₂₀₀Bi气凝胶电氧化葡萄糖的机理（图3C），在LSPR激发下，AuBi气凝胶表面产生大量电子空穴对，强氧化性的空穴将氢氧根氧化为羟基自由基，羟基自由基可以进一步加快葡萄糖的氧化，从而提高催化活性。基于LSPR激发下Au₂₀₀Bi催化剂的高活性，构建了非酶电化学葡萄糖传感器，实现了高灵敏的葡萄糖检测（图3D）。

图3.（A）黑暗条件下Au₂₀₀Bi及Au气凝胶对葡萄糖氧化的电流响应。（B）等离子体激发下Au₂₀₀Bi及Au气凝胶对葡萄糖氧化的电流响应。（C）等离子体激发下Au₂₀₀Bi气凝胶检测葡萄糖的机理示意图。（D）等离子体激发下电流与葡萄糖浓度的标准曲线。

综上所述，该工作将组分协同策略与LSPR结合，为构建非酶电化学葡萄糖传感器提供了一个新的视角，同时也进一步拓展了贵金属气凝胶在电化学生物传感中的应用，为目标分子的高灵敏检测开辟了一条新的途径。

这一成果发表于Analytical Chemistry 上，博士生方鍥是文章的第一作者，华中师范大学的朱成周教授是通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Ultra-Low Content Bismuth-Anchored Gold Aerogels with Plasmon Property for Enhanced Nonenzymatic Electrochemical Glucose Sensing

Qie Fang, Ying Qin, Hengjia Wang, Weiqing Xu, Hongye Yan, Lei Jiao, Xiaoqian Wei, Jinli Li, Xin Luo, Mingwang Liu, Liuyong Hu, Wenling Gu, and Chengzhou Zhu*

Anal. Chem., 2022, DOI: 10.1021/acs.analchem.2c01836

导师简介

朱成周，华中师范大学教授、博士生导师，分析化学研究所所长。曾获得英国皇家化学会会士、国家高层次人才青年项目入选者、德国洪堡学者、科睿唯安全球高被引学者和爱思唯尔中国高被引学者等荣誉称号。至今以第一/通讯作者在Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano和Anal. Chem.等国际著名学术期刊发表学术论文130多篇，总引近20000余次，H指数为76，36篇论文进入ESI高被引论文。担任期刊Frontiers in Bioengineering and Biotechnology和Advanced Agrochem副主编，Analytica Chimica Acta、Biosensors等期刊编委和《物理化学学报》期刊青年编委。同时担任中国生物物理学会纳米酶分会第二届委员，湖北省化学化工学会分析化学专业委员会副主任，2021年荣获中国分析测试协会科学技术奖CAIA奖二等奖。

Email: czzhu@ccnu.edu.cn 

课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/zhulab_ccnu