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实现生物电子学中生物标志物选择性的新方法

亚利桑那大学的工程师已经实验验证了控制从有机聚合物到生物标记分子的电荷转移速率的电化学过程,使用常用材料和测量技术使其结果可广泛获取和重现。

他们在Nature Communications报道的研究结果将推动有机生物电子学领域的发展,特别是在医学领域,并应用于电池和燃料电池等储能技术。

自然挑战

电子转移反应是生物学,化学,物理学和工程学中的基本过程,其中电子从一个分子转移到另一个分子或物质。电子传递驱动从光合作用和呼吸作用到电子学的一切。了解这些反应的机制和速率可以控制电子设备(如太阳能电池和生物医学传感器)的传感能力和输出信号。

共同作者,材料科学与工程助理教授Erin Ratcliff和博士后助理Melanie Rudolph已经展示了实现生物标记物选择性的新方法,以设计出更好的生物传感器。通过以这样的方式处理聚合物来完成选择性,即它精确地控制其自身与生物标记分子之间的电荷转移速率。

今天的大多数电子产品都是由硅等无机半导体材料制成。它们非常有效,但生产成本高,与生物系统的兼容性有限。

“传统的电子材料坚硬而易碎,因此在柔性可穿戴结构中容易出现故障,”Ratcliff说。“现有的植入式生物医学电子设备,如除颤器已经取得了显着的成功 - 但可穿戴和植入式有机生物电子学的潜力令人叹为观止。”

在快速发展的有机生物电子领域,工程师们正在使用有机或碳基导电聚合物来生产低成本,轻便,灵活且耐磨且易于印刷的电子产品。

这种有机生物电子学可能包括用于药物输送的柔软,可拉伸和透明的离子泵; 可穿戴的绷带,在数百个汗水中的生物标记中的一个上为零; 或生物神经组织植入物,使截肢者能够操纵机械臂,手和手指。

该材料通过有机导电聚合物与周围环境之间的电荷转移反应来操作。这些反应与无机材料和电解质之间的反应非常不同。通过更好地理解这些过程,研究人员可以操纵有机聚合物的特性来生产更多的生物相容性设备,这些设备模糊了人与机器之间的界限。

实验中的新领域

在他们的论文中,Ratcliff和Rudolph描述了一些首次试验用有机聚合物测试电化学系统中电子转移理论的实验。

研究人员根据理论物理学家和诺贝尔奖获得者Rudolph Marcus以及已故电化学家Heinz Gerischer的工作展示了M​​arcus-Gerischer模型。马库斯理论解释了从一个分子到另一个分子的电子转移反应速率; Gerischer扩展了理论,解释了溶液(电解质)中分子与具有导电性质的固体材料(如金属和半导体)之间的电荷转移反应。

UA研究得出了两个重要发现。

首先,该团队表明,从聚合物到电解质的电子转移率直接取决于所施加的能量:施加的电压越大,电子转移速率越快。这是马库斯理论上正常的电荷转移制度。

对研究人员来说,第二个也是更令人兴奋的事情是他们证明了马库斯的反向电荷转移理论,该理论指出随着施加到化学系统的电压增加,电子传递速率在某一点上显着减慢。

“在我们的实验中,我们将Marcus和Gerischer的公式结合起来,并应用它们来展示有机聚合物和电解质界面上独特但可预测的电子电荷转移机制,”Ratcliff说。“我们根据Marcus-Gerischer模型生产了几乎完全相同的倒置曲线。”

“理论上我理解倒置电荷转移,但我真的很惊讶在实验室里一次又一次地获得这些结果,”鲁道夫说。

未来研究框架

Ratcliff和Rudolph使用模型分子,铁离子二甲醇 - 电化学研究的标准 - 和广泛研究的薄膜聚合物材料聚(3-己基噻吩)或P3HT。它们将薄膜聚合物固定在载玻片上并将其暴露在电解质溶液中。通过使用一种形式的电化学光谱,Ratcliff和Rudolph分析了微秒和秒的电子转移和离子分布。

他们的研究结果表明,导电有机聚合物和电解质界面的电子转移直接受到聚合物电子结构的控制,这是未来有机生物电子应用的主要设计指南。

“我们建议材料科学家和工程师一起寻找,使用分子工程工具,他们可以合成先进的材料,以达到预期的效果,”鲁道夫说。

拉特克利夫补充说:“每当你想出一个实验的基本框架时,它就会向前推进一个领域。