【Nano Energy】自供电发光葡萄糖传感器

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Self-powered illuminating glucose sensor

Nano Energy ( IF 19.069 ) 

Pub Date : 2022-10-18

DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107908

Highlights：

•展示了一种自供电照明葡萄糖传感器，利用水渗透现象产生的电力。

•自供电照明葡萄糖传感器由甘氨酸包覆的多孔CuO纳米线薄膜(G-PCNF)制成，该薄膜可选择性地与葡萄糖分子结合。

•自供电照明葡萄糖传感器具有高灵敏度和选择性，检测范围宽(0.5-100 mM)。

•发电与葡萄糖分子浓度之间的关系被电伏效应彻底验证。

目前，利用水的动态运动开发各种发电方法已成为人们关注的焦点。在验证精确的发电机理的同时，另一项重要的任务是充分利用固液相互作用产生的电。在此，展示了一种自供电照明葡萄糖传感器，具有高灵敏度(~ 22.61 V·M-1)和选择性，以及宽检测范围(0.5-100 mM)，利用水渗透到甘油包覆的多孔CuO纳米线薄膜中产生的电流。

从根本上说，这种传感机制可以通过将发电归因于固液界面上离子或质子的吸附/解吸的电伏效应来全面验证。随着吸附葡萄糖浓度的增加，产生的开路电压相应降低。此外，通过选择性地打开不同阈值电压的led，成功区分对人体有害的葡萄糖浓度。总之，利用水渗透现象产生的电能的自供电照明传感器平台为新型生物传感器提供了可行性。

研制了一种具有高灵敏度(约22.61 V·M-1)和选择性、宽检测范围(0.5-100 mM)的自供电照明葡萄糖传感器，该传感器利用甘氨酸包覆的多孔CuO纳米线薄膜(G-PCNF)通过水渗透现象进行检测。固液界面上离子的吸附/解吸、葡萄糖分子的特异性结合对发电的影响等复杂现象，均由电伏效应综合验证。随着葡萄糖吸附浓度的增加，G-PCNF表面吸附的氢氧根离子减少，导致G-PCNF干湿区载流子浓度差减小，产生的开路电压(Voc)变小。

由于其作为能量收集工具的巨大潜力，通过动态水运动发电已被广泛应用。具体来说，这种电是由固液相互作用产生的，通过充分利用这种电，它显示出可以扩展到其他领域的重要特性。要充分利用所产生的电力，必须全面了解发电机理。到目前为止，各种有意义的机制，如电打效应，水伏效应，伪流电位等都被积极提出。在水伏打效应和伪流势中，发电是用固体表面的质子迁移来描述的。

另一方面，对于电离伏效应，离子或质子在半导体表面的吸附/解吸，导致半导体中的载流子浓度不对称，从而产生电能。通过半导体的能带理论，利用电晕效应综合验证了吸附离子种类和浓度对发电量的影响。通过深入了解电伏效应，充分利用产生的电能，固液相互作用可以扩展到其他重要领域，特别是作为自供电照明传感器，其灵敏度取决于产生的电量。当对固体表面进行改性，使其与生物分子选择性结合时，可以影响离子或质子在固体表面的吸附，改变发电量，从而选择性地检测目标生物分子及其浓度。

利用这一特性，可以开发出一种具有自供电照明特性的新型生物传感器，同时扩展传感方法。重要的是，要实现自供电照明生物传感器，需要明确固液界面的复杂现象，包括离子的动态运动和生物分子在固体表面的特定结合，准确验证其发电机理，了解发电与目标生物分子的存在及其浓度之间的关系。

图1所示：甘氨酸涂层多孔CuO纳米线薄膜(G-PCNF)的制备和表征示意图。(a)首先，将合成良好的铜纳米线滴铸在1.5 cm×3 cm的玻璃基板上，得到多孔的铜纳米线膜。然后，在400℃热板上氧化1小时，制备了多孔CuO纳米线薄膜(PCNF)。(b)扫描电镜图像显示，PCNF具有多孔表面。(c)之后，将PCNF在5 mg/ml甘氨酸溶液中浸泡10秒，(d)在热板上退火1小时，从而制备出甘氨酸涂层的PCNF。

在本研究中，利用水渗透现象产生的电流，展示了一种自供电照明葡萄糖传感器，该传感器使用了一种甘油包覆的多孔CuO纳米线薄膜(G-PCNF)，它可以选择性地与葡萄糖分子结合。特别是离子的吸附/解吸和葡萄糖分子的特异性结合对发电的影响等固液界面的复杂现象，被电伏效应综合验证。当G-PCNF吸附葡萄糖浓度增加时，其表面zeta电位相应降低，导致其表面吸附的氢氧根离子减少。因此，G-PCNF的干湿区载流子浓度差减小，产生的开路电压(Voc)变小。在此基础上，证实了自供电照明葡萄糖传感器可以检测到较宽范围的葡萄糖浓度(0.5-100 mM)。因此，该葡萄糖传感器的检测限(LoD)为0.5 mM。

此外，通过选择性地打开不同阈值电压的led(红色:1.5 V;绿色:1.9 V)。总的来说，利用水渗透现象产生的电流，我们开发了一种自供电照明葡萄糖传感器，具有高灵敏度和选择性，检测范围宽。通过修饰固体表面，实现与生物分子的特异性结合，基于电伏效应的自供电照明传感器平台在扩展到众多生物分子的检测方面显示出巨大的潜力。

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