[論文レビュー] Non-Enzymatic Graphene-Based Biosensors for Continuous Glucose Monitoring

Mohamed Serry, Mahmoud A.S. Sakr|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2015

Electrochemical sensors and biosensors参考文献 46被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、界面準位相互作用を活用して感受性・安定性・干渉耐性を実現する、メディエーター不要で酵素を用いないグラフェン・ショットキー接合バイオセンサを、連続的グルコースモニタリングに用いるものとして提案する。0〜15 mmol/Lの範囲で直線的応答を示し、検出限界は0.5 mmol/Lに達する。酵素系システムに見られるドリフトや不安定性の問題を抱える従来型の手法に対する頑健な代替手段を提供する。

ABSTRACT

A novel mediator-free, non-enzymatic electrochemical sensor, based on a graphene-Schottky junction, was fabricated for glucose detection. The sensor offers a promising alternative to the conventional enzyme-catalyzed electrochemical continuous glucose monitoring systems (CGM), as it overcomes many of the drawbacks attributed to the enzymatic nature; namely, irreversibility, drift, and interference with body fluids, which affect their accuracy, reliability and longevity. Enhanced performance of the sensors is demonstrated through the band interaction at the graphene-Schottky junction, which yields stronger forward/reverse currents in response to 50 μL glucose drop. Under optimized conditions, the linear response of the sensor to glucose concentration was valid in the range from 0 to 15 mmol/L with a detection limit of 0.5 mmol/L. The results indicated that the proposed sensor provided a highly sensitive, more facile method with good reproducibility for continuous glucose detection.

研究の動機と目的

• 従来の酵素系システムに見られる制限を克服し、安定的で酵素フリーのグルコースセンサを、連続的モニタリングに適した形で開発すること。
• グルコースオキシダーゼに依存しないように、直接的電子移動を可能にするグラフェン・ショットキー接合を用いること。
• センサの耐久性、正確性、生体液からの干渉に対する耐性を向上させること。
• 生理的グルコース濃度範囲において高い感受性と再現性を達成すること。
• 界面準位相互作用に基づくメディエーター不要の電気化学的検出メカニズムを実証すること。

提案手法

• 半導体基板上にグラフェン層を堆積させることでヘテロ接合を形成するグラフェン・ショットキー接合の作製。
• グラフェン-半導体接合における界面準位整列を活用し、グルコースへの応答として電荷移動を制御すること。
• グルコース暴露に伴う前向きおよび逆向きの電流応答を測定するために、サイクルボルタメトリーおよびキリオアンペロメトリーを用いること。
• 最適化された条件下でリアルタイムの電気化学的応答を評価するために、50 µLのグルコースドロップを適用すること。
• さまざまなグルコース濃度（0–15 mmol/L）におけるセンサ応答を評価するために、線形走査ボルタメトリーを用いること。
• 制御された条件下での繰り返し測定を通じて、検出限界および再現性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メディエーターおよび酵素を用いずに、非酵素的グラフェン・ショットキー接合センサが信頼性があり感受性の高いグルコース検出を達成できるか？
• RQ2 グラフェン-半導体接合における界面準位相互作用は、グルコースセンシングに向けた電子移動をどのように向上させるか？
• RQ3 このセンサの生理的条件下における直線的動的範囲および検出限界は何か？
• RQ4 安定性および干渉耐性の観点から、従来の酵素ベースの連続的グルコースモニタと比較して、このセンサの性能はどのように異なるか？
• RQ5 繰り返し測定において、センサはどの程度再現性を維持するか？

主な発見

• センサは0〜15 mmol/Lのグルコース濃度範囲で直線的応答を示し、臨床的モニタリングに適していることが確認された。
• 検出限界が0.5 mmol/Lに達し、生理的グルコースレベルに対して高い感受性を示した。
• グルコース暴露に伴い、グラフェン・ショットキー接合は前向きおよび逆向きの電流が強化され、効果的な電荷移動制御が確認された。
• センサは良好な再現性を示し、繰り返し測定においても一貫した性能を維持した。
• メディエーター不要の設計により、酵素の変性、ドリフト、生体液からの干渉といった問題が回避された。
• ヘテロ接合界面におけるバンド相互作用が、感受性の向上と直接的電気化学的検出の実現に不可欠であった。