碳纳米管电极微纳形貌对病毒传感性能的影响机制及高灵敏诺如病毒检测研究

本综述系统探讨了碳纳米管（CNT）电化学电极的微纳形貌对抗体修饰效率及病毒（诺如病毒NoV）传感性能的影响。研究发现电极性能主要取决于纳米级形貌特征（如分散剂类型、导电性）而非微观粗糙度，并首次阐明高导电性（>1000 S/cm）与有效抗体修饰是实现超高灵敏度检测（检测限达1 fg mL?1）的关键。该研究为开发高性能CNT生物传感器提供了重要设计准则。

　　

引言

COVID-19大流行使病毒检测技术的重要性再次凸显。当前聚合酶链反应（PCR）虽准确性高，但耗时长且需专业设备，难以实现现场快速检测。基于抗原-抗体反应的电化学检测技术，特别是循环伏安法（CV）测量，因具备高灵敏度、快速响应和便携性优势，成为替代解决方案。碳纳米管（CNT）薄膜因其物理化学稳定性、大比表面积和可持续性，被视为理想电化学电极材料。然而，CNT复杂结构因素（如手性、分散状态、束状结构、薄膜密度）导致其电化学性能优化面临挑战。

实验设计

研究选取9种不同合成方法（eDIPS法、超增长法、催化CVD法）和分散剂（表面活性剂、羧甲基纤维素、聚丙烯酸等）制备的单壁CNT薄膜，系统评估其表面形貌、抗体修饰量和病毒传感性能。通过激光表面处理（纳秒/皮秒脉冲激光）调控微观形貌，采用BCA法、X射线光电子能谱（XPS）和交流阻抗测量量化抗体结合效率。电化学检测使用含诺如病毒样颗粒（NoV-LPs）的磷酸盐缓冲液体系，通过CV测量氧化峰电流变化评估灵敏度。

结果与讨论

微观形貌调控实验表明，CNT薄膜固有纳米级孔隙结构（约100 nm）已足够抗体分子渗透，宏观粗糙度（算术平均高度S_a最高达4127 nm）并未提升抗体负载量，反而因激光处理导致的密度降低使有效表面积减少。

纳米形貌分析显示，不同CNT结构的抗体修饰效率差异显著：XPS的N 1s谱段（401 eV）峰值强度在eDIPS EC1.5P和Lamfil WPC-040等样品中较高，而Lamfil WPO-253几乎无反应。对应电化学检测中，前者实现1 fg mL^?1超高灵敏度检测，后者则无响应。

关键性能参数归纳表明：成功检测NoV的CNT需同时满足高电导率（>1000 S/cm）和有效抗体修饰（XPS N 1s峰出现）。例如eDIPS EC1.5P（电导率4153 S/cm）检测限较传统方法提升5个数量级，而电导率低于1000 S/cm的样品（如ZEONANO SG101）均无法实现有效检测。

结论

CNT电化学电极的性能主要取决于纳米级结构特征而非微观形貌。通过优化合成方法与分散剂类型，可获得兼具高导电性和高效抗体修饰能力的CNT结构，从而实现病毒传感技术的突破性进展。该研究为CNT生物传感器设计提供了明确指导，并对电池、催化剂等电化学器件开发具有借鉴意义。