《Biosensors and Bioelectronics》：Highly Stable Bioelectronics based on Wrapped SWCNT Monolayers via Dual Click Chemistry
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单壁碳纳米管（SWCNT）双点击化学策略制备的均匀单层薄膜实现高稳定生物电子学接口，成功检测气体相腐胺（27.02 ppb）和液相皮质醇（5 pM），突破传统方法多层/附着力差局限。
金京镐|徐成恩|金艺珍|金洪基|宋贤硕|黄玉珠|林博圭|权奥硕
韩国成均馆大学SKKU先进纳米技术研究所（SAINT），水原，16419，大韩民国
摘要
基于可靠的单壁碳纳米管（SWCNTs）的生物电子学发展一直受到限制，主要是因为无法制备出同时具备强基底粘附性、高面积密度和均匀电学特性的SWCNT薄膜。传统的沉积方法或连接剂介导的功能化往往会导致多层结构或粘附力较弱的网络，这些网络在器件间存在差异性、滞后现象，并且在水或气体环境中不稳定。在之前通过点击化学驱动的共价固定方法构建的单层、高密度、高度均匀的SWCNT平台的基础上，本研究采用双重点击化学策略将该材料发展为完全功能化的生物电子接口。该方法结合了CuAAC介导的聚合物包裹SWCNTs的共价锚定和随后的无铜点击反应以实现生物分子共轭，从而得到了一种在苛刻溶剂超声处理、重复栅压循环和长期传感操作下仍能保持结构完整性的化学稳定单层结构。基于这种双重点击SWCNT单层制备的器件表现出无滞后电学特性、优异的跨基底重复性，以及对气相尸胺（LOD：27.02 ppb）和液相皮质醇（LOD：5 pM）的超灵敏检测能力。本研究首次证明，共价固定的单层高密度SWCNT网络可以作为可扩展、稳定且多用途的分子传感平台，适用于多种化学环境，为下一代SWCNT生物电子学奠定了统一的材料到器件框架。
引言
单壁碳纳米管（SWCNTs）作为一种一维（1D）纳米材料，由于其高载流子迁移率、大的表面积与体积比以及对局部化学环境的强敏感性，长期以来一直被认为是分子传感的有前景的材料（Baughman等人，2002年；He等人，2016年；Lee等人，2008年；Qiu等人，2019年）。特别是，SWCNTs被用于开发高性能的碳基纳米材料，以应用于生物电子学领域，利用其大规模生产、低成本、大表面积和优异的电导率等优点（Kwon等人，2019年）。然而，基于SWCNT的生物电子学的实际应用受到在固体基底上形成稳定、均匀分布且电学性能可重复的SWCNT薄膜的挑战（Friddle等人，2007年；Shi等人，1999年；Tang等人，2018年）。传统的沉积方法（如旋涂、滴铸或连接剂介导的吸附）不可避免地会产生多层、低密度或粘附力弱的SWCNT网络，导致器件性能不稳定、在液体环境中信号漂移以及长期稳定性差。为了解决这些长期存在的问题，我们团队之前提出了一种基于点击化学的化学自组装方法，能够将SWCNTs以共价锚定的形式固定在器件基底上（Ji等人，2023年）。对SWCNTs高度疏水表面的修饰对于其在水系统中的生物传感器应用至关重要（Ni?ler等人，2022年）。
先前的研究提出了多种提高键合强度的方法，包括SWCNTs与DNA（覆盖在基底外表面）之间的静电相互作用、疏水吸附以及硅烷-π相互作用（Castan等人，2017年；Li等人，2023年；Penzo等人，2016年；Yahya等人，2022年）。尽管这些研究通过应用不同策略提高了性能，但在防止缺陷形成和保持SWCNTs内在特性方面仍存在挑战。在我们的后续工作中，将化学固定的SWCNT网络与π-π吸附的连接剂（例如PBASE）结合，用于高灵敏度检测淀粉样β肽（G. Kim等人，2024年）。然而，这种传感架构依赖于非共价连接剂，限制了化学稳定性、功能化多样性和多模态环境的应用性。此前，我们使用半导体制成的SWCNTs（sc-SWCNTs）通过叠氮-炔烃点击反应实现了化学固定，形成了几乎单层的SWCNT网络，具有高均匀性和基底粘附性（Ji等人，2023年；G. Kim等人，2024年）。为了对SWCNT表面进行生物受体功能化，我们使用了1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯（PBASE）作为双功能连接剂，其中芘部分通过π-π堆叠吸附在SWCNTs上，而琥珀酰亚胺酯与抗体的胺基发生反应。该方法在低至10 pM的浓度下对淀粉样β42（Aβ42）肽表现出优异的检测性能，展示了可定制生物电子学的潜力。然而，这种方法仍然依赖于非共价连接剂吸附，可能会限制长期稳定性和可扩展性。
在本研究中，我们报道了一种基于包裹SWCNTs（w-SWCNTs）的先进生物电子平台，其中固定和功能化过程完全通过共价点击化学实现。该方法结合了（i）CuAAC介导的聚合物包裹SWCNTs的共价锚定和（ii）随后的无铜点击反应进行生物分子共轭。这种两步机制提供了前所未有的稳定性，在苛刻的溶剂超声处理、重复栅压循环以及长时间暴露于气体和水环境中仍能保持单层完整性，而传统的SWCNT薄膜在这种情况下容易失效。具体来说，w-SWCNTs通过叠氮-炔烃环加成反应在炔烃功能化基底上固定成高密度均匀的单层，聚合物包裹层上剩余的叠氮基团直接用于二次点击反应中的生物连接器共轭。这种共价双重点击方法消除了对额外连接剂（如PBASE）的需求，提高了结构稳定性并减少了非特异性相互作用。表面功能化的效率通过循环伏安法和法拉第定律进行了量化，得到叠氮基团密度为1.8725分子/纳米2。通过重复循环伏安法确认了电学稳定性（性能保持94.40%，阈值电压偏移仅为0.08 V），且滞后现象极小。将皮质醇适配体和微量胺相关受体13c（TAAR 13c）共轭到w-SWCNT生物探针上，用于检测和监测皮质醇和尸胺（CV）。检测限（LODs）分别为皮质醇5 pM和尸胺27.02 ppb。此外，w-SWCNT生物电子学表现出特异性和快速的检测能力。这种基于均匀表面功能化w-SWCNT的方法成功解决了传统CNT基生物传感器的现有局限性。所开发的平台在医疗诊断、制药和环境监测等多个领域具有高准确性、可靠性和应用潜力。
部分摘录
w-SWCNT的制备
用于SWCNT包裹和固定的材料的化学结构如图S1所示。SWCNTs（RN-220，直径：0.9-1.5 nm，长度：0.5-4 μm）购自NanoIntegris, Inc. 将0.5 mg/mL的包裹聚合物P(FD-N3)溶解在40 mL甲苯中，然后在80 °C下加热2小时。冷却后，向包裹聚合物溶液中加入15 mg的SWCNT粉末，并使用超声波进行超声处理
结果与讨论
图1和方案1展示了基于w-SWCNT的生物传感器的制备过程。首先，在SiO?/Si基底上形成BPS的自组装单层（SAM）。随后，在BPS修饰的表面上旋涂一层聚[(4-丙炔氧基)苯基甲基丙烯酸酯-r-甲基丙烯酸酯]（P(DPAP-r-PA)薄膜。SAM中的苯甲酮基团作为UV反应性交联剂；通过遮罩进行UV照射后，P(DPAP-r-PA)
结论
总之，我们展示了基于w-SWCNTs的生物电子平台，通过图案化固定和与基底的共价键合，开发了用于液相和气相生物标志物检测和监测的各种应用的生物电子学。图案化的w-SWCNTs在CNT基生物传感器领域代表了前所未有的高覆盖率网络。包裹材料中的叠氮基团促进了SWCNTs与基底或生物探针之间的共价键合
CRediT作者贡献声明
林博圭：写作——审稿与编辑，原始草稿撰写，概念构思。黄玉珠：实验研究。权奥硕：验证，监督，项目管理。金艺珍：原始草稿撰写，数据管理，审稿与编辑，概念构思。宋贤硕：资源支持。金洪基：形式分析。金京镐：写作——审稿与编辑，原始草稿撰写，可视化，验证，实验研究，
未引用的参考文献
Jiang等人，2017年；Wen等人，2021年。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：无利益冲突声明
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）通过基础科学研究计划（Basic Science Research Program）的支持，该计划由教育部（Ministry of Education）资助（RS-2024-00451327、RS-2025-25436486、RS-2023-00241851）；韩国国家研究基金会（NRF）由韩国政府（MSIT）资助（RS-2026-25471959）；以及韩国国家科学技术委员会（NST）（CAP22013000）的支持。
