研究进展|金刚石抗污的前沿应用

近期，中南大学魏秋平教授课题组在金刚石材料在抗污领域应用的研究进展：首先介绍了表面化学(即掺杂水平、表面端基和晶体取向)和表面形貌等因素对BDD防污性能的影响。讨论了BDD表面的电化学污染及恢复表面活性的清洗手段。其次，综述了金刚石材料在生物相关传感应用方面的最新进展和成就，包括BDD微电极、基于BDD的微流控器件以及非侵入式可穿戴BDD传感器。最后讨论了金刚石在防污领域的应用前景和挑战。

传统电极材料(如金属电极或金属氧化物、玻璃碳和碳纤维电极)在电化学测量过程中通常会发生严重的表面物质吸附（污染），特别是在测定有机物质 (如多巴胺、氨基酸、蛋白质、药物分子)时，其氧化产物和中间产物可能吸附在电极表面，导致电流响应信号的衰减。金刚石电极材料具有优异的电化学性能，不仅具有较宽的水稳定性电势窗口、较低的背景电流、优异的电化学稳定性，而且具有优异的防污性能。导电金刚石电极材料，特别是掺硼金刚石电极(BDD)，具有优异的抑制表面被污染的特性，如其具有表面惰性，对污染物具有弱吸附性；在高电位下产生强氧化剂(如:羟基自由基)，可通过自清洁抑制生物膜的形成。因此金刚石材料是极具潜力的抗污传感用材料。

下面是图文研究进展：

金刚石的防污性能与其表面化学性质和表面形貌密切相关。表面化学涉及掺杂原子的浓度(如硼或氮)、表面端基(如H端和O端BDD)和晶体取向，包括晶面类型(100)、(110)和(111)。

图1 BDD的表面端基对其理化性能和防污性能的影响

图2 晶面取向对金刚石抗污性能的影响

图3 表面形貌对金刚石抗污性能的影响

从电化学传感或生物传感的角度来看，电极浸泡在含有多种物质的复杂溶液时，特别是当氧化物(如多巴胺、多肽、蛋白质)不断在电极表面发生电化学反应氧化时，电极表面不可避免的被污染。

图4 金刚石电极上污染生物膜形成的研究与表征

图5 以多巴胺氧化为例，消除或避免BDD表面典型污垢的清洁策略

最新的具有代表性的金刚石传感器工作进展，包括金刚石或金刚石基微传感器、金刚石基微流控设备和微流控设备衍生的可穿戴传感器。

图6 基于BDD的(生物)传感器在生理环境下多巴胺传感器的防污应用

图7生物医学应用的非侵入式可穿戴BDD传感器

金刚石是一种极具前途的理想防污材料。令人兴奋的是，最近的研究工作已成功地将基于BDD材料的传感器应用于微流控设备，甚至是非侵入式可穿戴传感器设备。我们期待高抗污的BDD生物传感材料在临床应用中大展身手。

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