《Sensors and Actuators A: Physical》：Semiconducting Few-layer 2D-Borophene based Impedimetric Sensor for Cortisol detection.
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本研究利用溶热辅助液相剥离技术合成二维硼烯，并构建了基于硼烯的电化学免疫传感器用于皮质醇检测。传感器在10-240 ng/mL范围内呈现线性响应，检测限为10.0 ng/mL，灵敏度4.43 Ω·mL·ng?1·cm?2，稳定性超过39天。
作者：Gourang Hari Gupta, Suveen Kumar
印度古吉拉特邦甘地纳加尔艾哈迈达巴德国家制药教育与研究学院医疗器械系，邮编382355
摘要
最近发现的纳米材料硼烯（BRPH）在电化学生物传感领域的应用较少。由于其半导体特性、优异的导电性、低能带隙和高吸附系数，它被用于电极改性。在本研究中，我们开发了一种基于二维硼烯的电化学免疫传感器用于检测皮质醇。为此，我们采用溶剂热辅助液相剥离技术合成了BRPH。通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼分析、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、高分辨率TEM和四点探针对合成的BRPH进行了表征。BRPH通过电泳沉积在ITO电极表面（BRPH/ITO），随后固定抗CORT抗体，为了阻断非特异性结合位点，还使用了BSA制备了免疫传感电极（BSA/anti-CORT/BRPH/ITO）。利用EIS对这种免疫传感电极进行了表征，构建了不同浓度皮质醇的校准曲线。所开发的免疫传感电极在10–240 ng.mL?1的线性检测范围内能够检测到皮质醇，最低检测限（LOD）为10.0 ng.mL?1，灵敏度为4.43 Ω.mL.ng?1.cm?2。这些电极表现出高重复性、低干扰性，并且在4°C储存条件下稳定性超过39天。
引言
诊断在医疗保健领域中起着关键作用，有助于缓解和管理健康问题，同时也支持个性化治疗。在各种诊断方法中，即时诊断（POC）已成为有效疾病管理和改善患者护理的重要工具[1][2]。过去几十年里，出现了许多类型的POC诊断技术，其中生物传感器[3]在该领域占据了重要地位。在各种生物传感器中，电化学生物传感器在POC诊断方面取得了显著成就，例如便携式血糖仪，它们彻底改变了医疗监测和管理[2][4][5]。与其他生物传感器技术相比，电化学生物传感器具有多个优势，使其非常适合用于医疗管理中的POC诊断[4][5]。这些传感器响应速度快、灵敏度高，适用于快速准确的诊断。它们设计得易于操作，允许进行连续监测，测试步骤简单，适用于临床和家庭环境。此外，这些传感器成本效益高，提供定量结果，并且所需样本量少。所有这些特性使它们成为适用于多种环境中的POC诊断设备，适用于一次性诊断和持续监测[2]。
在制备生物传感电极时，固定基质起着重要作用。这里的固定基质主要是纳米材料，它在固定生物识别元件和提高电极的电化学性能方面起着核心作用[6]。由于纳米材料本身的特性、纳米级尺寸以及较大的表面积与体积比，它们显著提升了电化学生物传感器的性能[6]。为了研究这一点，过去几年中开发了多种纳米材料、纳米复合材料和金属有机框架。每种纳米材料都有其优缺点，但只有少数几种适合用于电化学生物传感器的开发[7][8]。因此，我们选择了硼烯作为开发电化学生物传感器的纳米材料。
硼烯是一种单原子层的硼，与其他二维（2D）纳米材料（如石墨烯、磷烯、锗烯）类似[9][10]，最初由Piazza等人于2014年提出[11]。与石墨烯相比，它是最轻的纳米材料[12]，并表现出各向异性的狄拉克特性[9]。硼烯同时具有半导体和类金属特性，这源于其电子未饱和或声子效应[13]。这些现象源于其独特的电子结构，其中三个价电子形成了独特的键合模式，包括传统的两中心两电子键和新型的三中心两电子B–B键[14]。这种键合配置导致了多方面的键合行为，而其电子结构与碳相似，赋予了硼烯类似石墨烯的特性[15][16]。由于这些独特的键合特性，硼烯存在多种同素异形体，具有有趣的性质[16][17]。它具有较大的电活性表面积、固有的各向异性、快速的电子迁移率、薄膜制备能力、化学阻变行为、抗污染表面、高吸附系数以及表面功能化的潜力[14][18]。此外，其坚固性、硬度和稳定性使其成为一种新型且有前景的纳米材料[19][20]。与其他2D纳米材料相比，这些特性使硼烯成为电化学生物传感器电极改性的理想选择[14][21][22]。在这里，我们使用改性的硼烯电极来检测皮质醇，这是一种压力标志物，可能导致多种慢性疾病。
皮质醇（氢化可的松）是糖皮质激素家族的一种内分泌类固醇激素[23][24]。它由肾上腺产生，其释放受到下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴稳态的调节[25]。由于其亲脂性，皮质醇以结合形式（非活性）在血液中运输，并根据需要转化为游离皮质醇（活性形式）[24]。游离皮质醇负责调节多种生理和心理现象，如葡萄糖和碳水化合物代谢、心血管系统调节、脂质代谢、神经内分泌调节、心理压力、生物钟管理等[23][24][25]。由于皮质醇在体内起着重要作用，其浓度的异常增加或减少会导致多种疾病，如库欣综合征[26]、艾迪生病[27]、肥胖[25]、心脏病发作[28]、免疫功能减弱[29]、心理压力[30]、创伤后应激障碍[24]等。因此，皮质醇可以作为诊断与皮质醇相关的原发性或继发性疾病的生物标志物，并在个性化医疗中发挥作用[26][27][30][32]。皮质醇从肾上腺皮质分泌，穿过细胞膜进入血液，然后通过毛细血管扩散到细胞间液中，最终作用于靶细胞[33]。除了血液外，它还存在于其他生物液体中，如头发、眼泪、唾液、汗液、尿液、细胞间液等。如果身体未利用皮质醇，就可以通过检测方法将其识别出来[32]。不同生物液体中皮质醇的正常生理水平总结在表S1中。目前有多种传统的皮质醇检测方法，如色谱法、质谱法、免疫测定法等，但这些方法需要样品处理、昂贵的设备、复杂的测试程序、耗时且不便于携带[35][36][37]。因此，电化学生物传感器作为一种可靠的选择，具有高选择性、高灵敏度、快速、经济且适用于即时检测的优势。由于电化学生物传感器相比其他现有诊断方法具有诸多优势，科学界对其设计和开发表现出极大的热情。
在这项工作中，我们采用溶剂热辅助液相剥离技术合成了半导体二维硼烯。据我们所知，这是首次报道使用硼烯作为固定基质来开发用于检测皮质醇的电化学生物传感平台。与现有的皮质醇传感器相比，所开发的基于硼烯的平台表现出更高的传感性能。硼烯传感平台的性能提升归因于其独特的性质，如较大的电活性表面积、半导体特性、化学阻变行为、抗污染表面和高吸附系数，这些性质优于基于石墨烯、MXene和金属氧化物等的其他纳米材料平台[14]。这些新颖的性质为电化学生物传感器提供了多个优势，包括半导体信号放大作用，提高了灵敏度；高抗体吸附能力，实现了对皮质醇的选择性和更宽的检测范围；以及化学阻变行为，增强了传感平台的稳定性。这些优势使得所开发的皮质醇传感平台在性能上优于其他现有的皮质醇传感平台。
材料
硼粉（粒径≤1 μm，纯度≥95%），氢化可的松（纯度≥98%（HPLC）），一水合磷酸钠（ACS试剂，纯度≥98%），氯化钾（ACS试剂，纯度99.0-100.5%），二碱式磷酸钠（ACS试剂，纯度≥99.0%），氯化钠（ACS试剂，纯度≥99.0%），银/氯化银（60/40）糊剂，亚铁氰化钾（ACS试剂，纯度≥99.0%），铁氰化钾（ACS试剂，纯度≥99.0%），胆红素（纯度≥98%），胆固醇（纯度≥99%），牛血清白蛋白（BSA）（纯度≥98.5%），以及人血清
硼烯的结构、功能和形态表征
为了确认硼烯的合成，并确定其相纯度和结晶度，我们对硼和硼烯进行了XRD分析，如图1a所示。硼烯的XRD谱线宽化且强度较弱，这是由于纳米材料中晶粒尺寸从块状减小到纳米级尺寸所致[42][43]。硼烯的XRD谱线显示出与硼相似的峰形，大多数特征峰的指数与...
结论
我们使用非破坏性的溶剂热辅助液相剥离技术成功合成了硼烯，并通过FT-IR和拉曼光谱对其进行了表征。合成的硼烯呈现3-5层片状结构，属于β-菱形相（JCPDF 00-031-0207），电导率为5.92 ×103 ± 5.01 ×102 Sm?1，带隙为1.227 ± 0.001 eV，表明其具有半导体特性。免疫传感电极也已成功制备
CRediT作者贡献声明
Suveen Kumar：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、概念构思。
Gourang Hari Gupta：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢艾哈迈达巴德国家制药教育与研究学院的院长提供了进行这项工作所需的设施。作者衷心感谢印度化学与化肥部以及艾哈迈达巴德国家制药教育与研究学院（NIPER）为学者提供的奖学金支持。SK还感谢Anusandhan National Research的支持。
Gourang Hari Gupta目前正在艾哈迈达巴德国家制药教育与研究学院攻读医疗器械博士学位，导师为Suveen Kumar助理教授。Gourang的学术生涯始于印度勒克瑙的AKTU大学，他在那里获得了药学学士学位。随后他在艾哈迈达巴德国家制药教育与研究学院获得了医疗器械硕士学位。
