组成图示
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传感器类型
电化学生物传感器
检测对象
谷氨酸（glutamate, Glu）；样品基质：0.1 M PBS（pH 7.0）含2 mM NAD+的缓冲溶液（非实际生物样品）
检测原理
谷氨酸在GLDH催化下与NAD+和水反应生成α-酮戊二酸、NADH、NH4+和H+。该反应使谷氨酸浓度转化为NADH生成量。NADH扩散至CNT尖端并在低过电位下发生电化学氧化，产生与谷氨酸浓度相关的电流（文中DPV峰位于约−0.10至−0.14 V）。VACNT-NEA中相邻纳米电极间距足够大，形成径向三维扩散和稳态电流，降低背景电流并提高信噪比；CNT本身对NADH氧化具有电催化作用，实现无介质检测。谷氨酸浓度越高，酶促生成NADH越多，氧化电流越大，直至酶动力学饱和。
检测灵敏度
高密度VACNTs：LOD: 57 nM；线性范围: 0.1–20 μM 与 20–300 μM；灵敏度: 0.976 mA mM−1 cm−2 (0.1–20 μM)、0.182 mA mM−1 cm−2 (20–300 μM)。VACNT-NEA：LOD: 10 nM；线性范围: 0.01–20 μM 与 20–300 μM；灵敏度: 2.18 A mM−1 cm−2 (0.01–20 μM)、0.1 A mM−1 cm−2 (20–300 μM)。
效应效果
该工作未报告选择性、抗干扰、实际样品加标回收率或与ELISA/HPLC/qPCR的对比。CV和EIS表明VACNT-NEA呈现稳态径向扩散特征，DPV峰更尖锐并负移至−0.14 V。与高密度VACNTs相比，NEA将谷氨酸检出限从57 nM降至10 nM，低浓度段灵敏度由0.976 mA mM−1 cm−2提高到2.18 A mM−1 cm−2。DPV信号在每3 h重复测量3次，电极至少可工作9 h，且可通过电化学处理再生。作者认为该光刻/RIE工艺比电子束光刻更廉价，适合低成本、高灵敏酶传感器及微流控/芯片集成。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：硅片上8 nm镍膜经光刻形成700 nm镍点，RIE缩至400 nm，作为VACNT生长模板与导电接触层
- 纳米材料修饰层：DC-PECVD生长垂直排列碳纳米管（VACNTs），尖端暴露，提供高比表面积与NADH电催化活性
- 钝化/隔离层：RF-PECVD沉积2 μm SiO2包覆CNT侧壁，CMP抛光暴露CNT尖端，防止侧壁短路
- 识别元件：谷氨酸脱氢酶（GLDH）经EDC/sulfo-NHS共价连接至CNT尖端羧基，催化谷氨酸氧化脱氨
- 辅因子/反应物：NAD+作为辅酶参与反应，被还原为NADH（溶液中加入2 mM NAD+）
- 封闭剂：0.2%牛血清白蛋白（BSA）洗涤封闭非特异结合位点
- 信号标记物/电子供体：NADH（酶反应生成，被CNT尖端氧化产生电流）
- 读出层：三电极体系，Ag/AgCl参比电极、铂对电极，DPV/CV/EIS检测NADH氧化电流
中文摘要
本文报道了基于光刻法制备垂直排列碳纳米管纳米电极阵列（VACNT-NEA）并研究碳纳米管密度对电极性能的影响。通过电化学阻抗谱和循环伏安法表征不同扩散机制，所制备阵列呈现由径向扩散主导的稳态电流和S形循环伏安曲线。将VACNT-NEA和高密度VACNTs用作无介质电化学谷氨酸生物传感器，谷氨酸脱氢酶（GLDH）共价连接在碳纳米管尖端。基于高密度VACNTs的传感器在0.1–20 μM谷氨酸范围内灵敏度为0.976 mA mM−1 cm−2，在20–300 μM范围内为0.182 mA mM−1 cm−2，检出限为57 nM。基于VACNT-NEA的传感器在0.01–20 μM范围内灵敏度约为2.2 A mM−1 cm−2，在20–300 μM范围内为0.1 A mM−1 cm−2，谷氨酸检出限达到10 nM。结果表明，所制备纳米电极阵列可用于低成本、高灵敏酶生物传感器，适合伏安法检测多种临床重要生物标志物。
英文摘要
In this report, the fabrication of vertically aligned carbon nanotube nanoelectrode array (VACNT-NEA) by photolithography method is presented. Electrochemical impedance spectroscopy as well as cyclic voltammetry was performed to characterize the arrays with respect to different diffusion regimes. The fabricated array illustrated sigmoidal cyclic voltammogram with steady state current dominated by radial diffusion. The fabricated VACNT-NEA and high density VACNTs were employed as electrochemical glutamate biosensors. Glutamate dehydrogenase is covalently attached to the tip of CNTs. The voltammetric biosensor, based on high density VACNTs, exhibits a sensitivity of 0.976 mA mM(-1) cm(-2) in the range of 0.1-20 μM and 0.182 mA mM(-1) cm(-2) in the range of 20-300 μM glutamate with a low detection limit of 57 nM. Using the fabricated VACNT-NEA, the sensitivity increases approximately to a value of 2.2 Am M(-1) cm(-2) in the range of 0.01 to 20 μM and to 0.1 A mM(-1) cm(-2) in the range of 20-300 μM glutamate. Using this electrode, a record of low detection limit of 10 nM was achieved for glutamate. The results prove the efficacy of the fabricated NEA for low cost and highly sensitive enzymatic biosensor with high sensitivity well suited for voltammetric detection of a wide range of clinically important biomarkers.