Electroanalysis

Phổ thẩm điện là một kỹ thuật điện hóa đang phát triển nhanh chóng để đặc trưng hóa các điện cực chức năng sinh liệu và các chuyển đổi sinh xúc tác tại bề mặt điện cực, cụ thể là cho việc chuyển đổi sự kiện sinh biến tại các điện cực hoặc các thiết bị transistor hiệu ứng trường. Việc cố định các sinh liệu, ví dụ, enzyme, kháng nguyên/kháng thể hoặc DNA trên các điện cực hoặc bề mặt chất bán dẫn làm thay đổi điện dung và điện trở chuyển điện bề mặt của các điện cực dẫn điện hoặc bán dẫn. Phổ thẩm điện cho phép phân tích các thay đổi ở giao diện bắt nguồn từ các sự kiện sinh nhận tại bề mặt điện cực. Động học và cơ chế của các quá trình truyền điện tương ứng với các phản ứng sinh xúc tác diễn ra tại các điện cực đã được sửa đổi cũng có thể được rút ra từ phổ thẩm điện Faradaic. Nhiều cảm biến miễn dịch khác nhau sử dụng các phép đo trở kháng để chuyển đổi quá trình hình thành phức hợp kháng nguyên - kháng thể trên các bộ chuyển đổi điện tử đã được phát triển. Tương tự, các cảm biến DNA sử dụng các phép đo trở kháng như tín hiệu đọc cũng đã được phát triển. Việc phát hiện khuếch đại DNA phân tích đã được thực hiện bằng cách kết hợp các liposome chức năng hoặc bằng cách liên kết các phức hợp sinh xúc tác với giao diện cảm biến cung cấp quá trình lắng đọng sinh xúc tác của sản phẩm không tan trên các điện cực. Việc phát hiện khuếch đại DNA virus và các kiểu không khớp đơn vị trong DNA đã được thực hiện bằng các phương pháp tương tự. Sự thay đổi của các đặc điểm giao diện của các bề mặt cổng của transistor hiệu ứng trường (FET) khi hình thành phức hợp kháng nguyên - kháng thể hoặc lắp ráp các mảng protein đã được khảo sát thông qua các phép đo trở kháng và cụ thể là thông qua các phép đo dẫn điện. Phổ thẩm điện cũng được áp dụng để đặc trưng hóa các cảm biến sinh dựa trên enzyme. Việc tái tạo các apo-enzyme trên các điện cực chức năng cofactor và sự hình thành các phức hợp gắn bó giữa cofactor và enzyme trên các điện cực đã được khảo sát bằng phổ thẩm điện Faradaic. Ngoài ra, các phản ứng sinh xúc tác xảy ra trên bề mặt điện cực đã được phân tích bằng phổ thẩm điện. Nền tảng lý thuyết của các phương pháp khác nhau và ứng dụng thực tiễn của chúng trong các quy trình phân tích đã được trình bày trong bài viết này.

Các tính chất hóa học và vật lý độc đáo của các hạt nano làm cho chúng cực kỳ phù hợp cho việc thiết kế các thiết bị cảm biến mới và cải tiến, đặc biệt là các cảm biến điện hóa và cảm biến sinh học. Nhiều loại hạt nano, chẳng hạn như hạt nano kim loại, oxit và bán dẫn đã được sử dụng để xây dựng các cảm biến điện hóa và cảm biến sinh học, và những hạt nano này đóng vai trò khác nhau trong các hệ thống cảm biến khác nhau. Các chức năng quan trọng mà các hạt nano cung cấp bao gồm việc cố định các phân tử sinh học, xúc tác các phản ứng điện hóa, tăng cường quá trình truyền electron giữa bề mặt điện cực và protein, gán nhãn cho các phân tử sinh học và thậm chí hoạt động như là tác nhân phản ứng. Bài viết tổng quan này đề cập đến những tiến bộ gần đây trong các cảm biến điện hóa và cảm biến sinh học dựa trên hạt nano, và tóm tắt các chức năng chính của các hạt nano trong các hệ thống cảm biến này.

Cảm biến sinh học trở kháng là một lớp cảm biến điện có tiềm năng cho các ứng dụng tại điểm chăm sóc và các ứng dụng khác do chi phí thấp, dễ thu nhỏ kích thước và hoạt động không cần nhãn. Các mục tiêu DNA và protein không nhãn có thể được phát hiện bằng cách theo dõi sự thay đổi của trở kháng bề mặt khi phân tử mục tiêu gắn vào đầu dò đã được gắn cố định. Bước bắt giữ ái lực dẫn đến những thách thức chung cho tất cả các cảm biến sinh học ái lực không nhãn; những thách thức này sẽ được thảo luận cùng với những điểm đặc trưng khác biệt cho việc đọc giá trị trở kháng. Nhiều cơ chế có thể gây ra sự thay đổi trở kháng khi gắn mục tiêu sẽ được thảo luận. Chúng tôi tóm tắt một cách quan trọng những thành tựu của các cảm biến sinh học trở kháng không nhãn trong quá khứ và xác định các lĩnh vực nghiên cứu trong tương lai.

Bài tổng quan này đề cập đến sự phát triển và tiến bộ thực nghiệm của biocathode trong các pin nhiên liệu vi sinh vật (MFCs). Các MFC truyền thống bao gồm anode sinh học và cathode vô cơ. Cathode vô cơ thường yêu cầu một chất xúc tác hoặc một chất trung gian điện tử để đạt được khả năng chuyển giao điện tử cao, dẫn đến tăng chi phí và giảm tính bền vững trong vận hành. Những bất lợi này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng biocathode, nơi vi sinh vật hỗ trợ các phản ứng cathode. Biocathode có thể thực hiện trong các tế bào nửa được điều chỉnh bởi nguồn điện, nhưng rất ít nghiên cứu đã khảo sát chúng trong các MFC hoàn chỉnh. Phân loại biocathode dựa trên chất nhận điện tử cuối có sẵn. Đối với biocathode hiếu khí với oxy là chất nhận điện tử cuối, các chất trung gian điện tử, chẳng hạn như sắt và mangan, được khử trước bởi cathode (bằng phương pháp vô cơ) và sau đó được tái oxi hóa bởi vi khuẩn. Biocathode kỵ khí trực tiếp khử các chất nhận điện tử cuối, chẳng hạn như nitrat và sulfat, bằng cách nhận điện tử từ điện cực cathode thông qua chuyển hóa vi sinh. Biocathode có triển vọng trong MFC, và chúng tôi hy vọng sẽ có những ứng dụng thành công sau một số đột phá.

Bài đánh giá này trình bày việc sử dụng các điện cực ampe mét bột than nhẹ cho mục đích điện phân tích, với bề mặt hoặc khối lượng được điều chỉnh bằng các vật liệu sinh học, chẳng hạn như enzyme, mô và tế bào. Bài viết bao quát hầu hết tất cả các công bố đã xuất hiện từ điện cực bột than nhẹ đầu tiên được điều chỉnh bằng enzyme cho đến đầu năm 1994 và bao gồm 220 tài liệu tham khảo.

Bài viết này tổng quan về các nguyên tắc cơ bản của hiện tượng chuyển giao electron trực tiếp trong các phản ứng điện cực được xúc tác bởi enzyme và sự phát triển của các ứng dụng điện phân tích của các hệ thống sinh điện xúc tác. Một mô tả ngắn gọn về các enzyme có khả năng xúc tác các phản ứng điện hóa thông qua việc chuyển giao electron trực tiếp được đưa ra. Nền tảng vật lý - hóa học của sinh điện xúc tác được thảo luận dựa trên các khái niệm khác nhau liên quan đến cơ chế chuyển giao electron. Khái niệm "bộ chuyển đổi phân tử" được giới thiệu để chỉ một phức hợp, được hình thành bởi enzyme hoạt động điện xúc tác trên giao diện điện cực - điện phân, trực tiếp chịu trách nhiệm cho sự chuyển đổi tín hiệu hóa học thành tín hiệu điện. Vai trò của "bộ chuyển đổi phân tử" này trong các điện cực enzyme và điện cực miễn dịch được thảo luận. Các ứng dụng phân tích của sinh điện xúc tác được phân loại thành các hệ thống sử dụng phát hiện điện trường hoặc điện thế. Cuộc thảo luận tập trung vào những lợi thế của các hệ thống dựa trên chuyển giao electron trực tiếp do enzyme xúc tác so với các thiết bị điện phân tích do enzyme xúc tác khác. Cuối cùng, các xu hướng hướng đến các ứng dụng thực tiễn sắp tới được gợi ý cùng với một số hướng đi trong các nghiên cứu cơ bản về sinh điện xúc tác như một hiện tượng.

Sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị điện tử thu nhỏ đã dẫn đến nhu cầu ngày càng tăng về các nguồn năng lượng vi tích điện có thể sạc lại với hiệu suất cao. Trong số các nguồn khác nhau, siêu tụ điện vi điện hóa hoặc microsupercapacitors cung cấp mật độ công suất cao hơn so với các dạng tương ứng và đang thu hút sự quan tâm ngày càng tăng từ cộng đồng nghiên cứu và kỹ thuật. Cho đến nay, có rất ít công trình nghiên cứu được thực hiện về việc tích hợp microsupercapacitors lên chip hoặc các chất nền linh hoạt. Bài đánh giá này cung cấp cái nhìn tổng quan về nghiên cứu liên quan đến microsupercapacitors, với sự nhấn mạnh đặc biệt vào các điện cực dựa trên graphene tiên tiến nhất và các thiết bị rắn trên cả chất nền linh hoạt và cứng. Những ưu điểm, nhược điểm và hiệu suất của microsupercapacitors dựa trên graphene được tóm tắt và các xu hướng mới trong nguyên liệu, quy trình chế tạo và bao bì được xác định.

Graphene và các vật liệu liên quan, chẳng hạn như graphene oxit và graphene oxit khử, đã nổi lên như một lĩnh vực nghiên cứu hàng đầu trong các cảm biến điện hóa trong những năm gần đây. Sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực này là do hóa điện hứa hẹn của các vật liệu này và thành công rõ rệt của chúng trong các cảm biến điện và quang học cho đến nay. Trong bài tổng quan này, chúng tôi xem xét một cách nghiêm túc cấu trúc của graphene, các tính chất điện tử và điện hóa của nó liên quan đến cảm biến điện hóa, và những nghiên cứu mới nhất về các cảm biến khai thác hóa điện của các dẫn xuất graphene.

Bài viết này xem xét sự tiến bộ đáng kể đạt được trong việc phát triển các khía cạnh cơ bản và ứng dụng của sonoelectrochemistry, một lĩnh vực kết hợp siêu âm công suất vào thí nghiệm điện hóa, chủ yếu liên quan đến việc đo lường và phân tích các hiệu ứng được quan sát trong các thí nghiệm sonoelectrochemistry thông thường trong môi trường đồng nhất. Dựa trên các công cụ và phương pháp hiện có, hy vọng rằng việc ứng dụng siêu âm trong các lĩnh vực đa dạng như điện hóa phân tích và điện hóa tổng hợp sẽ mang lại lợi ích và dẫn đến các phương pháp sáng tạo mới sử dụng các hiệu ứng cơ học và hóa học khác nhau của siêu âm.

Bài viết này tổng hợp các thành tựu gần đây trong việc phát triển cảm biến sinh học điện hóa dựa trên aptamer (cảm biến aptasensor điện hóa). Aptamer là những phân tử DNA hoặc RNA mạch đơn có độ đặc hiệu cao đối với nhiều ligand khác nhau. Độ đặc hiệu của chúng so với các kháng thể là tương đương và trong một số trường hợp thậm chí còn cao hơn. Khác với kháng thể, aptamer được chế tạo thông qua một quy trình lựa chọn trong ống nghiệm, được phát triển đồng thời vào đầu những năm 1990 bởi L. Gold và A. Ellington. Nhờ vào độ ổn định và khả năng sửa đổi hóa học, aptamer có thể được cố định trên nhiều chất mang khác nhau và hoạt động như là các thụ thể nhân tạo trong các cảm biến sinh học. Những cảm biến aptamer đầu tiên được phát triển vào nửa cuối những năm 1990 dựa trên phát hiện quang học. Tuy nhiên, vào đầu những năm 2000, sự quan tâm đáng kể đã dành cho việc phát triển các cảm biến aptasensor điện hóa. Đã có sự chứng minh rằng nhờ vào tính đơn giản và phản ứng nhanh chóng, chúng đại diện cho một công cụ xuất sắc trong các ứng dụng thực tiễn. Mục tiêu chính của bài tổng hợp này là thảo luận về cấu hình của các aptamer và các phương pháp điện hóa để phát hiện sự tương tác giữa aptamer và chất phân tích. Chúng tôi cũng sẽ cung cấp một lịch sử ngắn gọn về sự phát triển của aptamer, cùng với cấu trúc phân tử và các phương pháp kỹ thuật của aptamer. Các phương pháp cố định aptamer lên chất mang rắn cũng sẽ được thảo luận.