克莱姆森大学开发新型纳米结构微电极：生物传感器领域的革命性突破

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克莱姆森大学（2024USNews美国大学排名：86）开发新型纳米结构微电极：生物传感器领域的革命性突破

2024年6月26日，克莱姆森大学的研究人员宣布了一项令人瞩目的科技突破：他们开发了一种名为“荆棘冠”的新型纳米结构微电极（SC-NMEs）。这种微电极由金制成，具有尖刺和冠状结构，旨在提高电化学生物传感器的多功能性和准确性。该技术由克莱姆森大学化学教授Carlos Garcia的实验室与巴西纳米技术国家实验室的科学家合作开发，标志着生物传感器领域的一次重大进步。

金纳米结构在生物传感器中的应用

金因其优良的导电性和相对惰性而被选用来制造电极。金纳米结构在生物传感器中的应用并非新鲜事，但“荆棘冠”微电极的独特设计使其在解决生物污染和通量问题上表现出色。生物污染是指在暴露于复杂样本（如血清、血浆、尿液或唾液）时表面受到的污染。研究表明，这种带有尖刺的电极平台能够在存在大量干扰物的情况下检测小分子，从而实现更快速和低浓度的检测。

作为概念验证，研究人员利用该传感器在仅30秒内（经过20分钟的孵育）检测到了金黄色葡萄球菌，这一速度与市场上最快的测试相媲美。世界卫生组织已将抗菌素耐药性列为人类面临的十大全球健康威胁之一，敏感和快速的监测方法在对抗金黄色葡萄球菌引起的传染病中可能发挥关键作用。

克莱姆森大学的创新与发展

克莱姆森大学不仅在科研领域取得了显著成就，还在推动地方经济和学生教育方面发挥了重要作用。2024年3月7日，克莱姆森地区小企业发展中心（SBDC）作为威尔伯·O·和安·鲍尔斯商学院及南卡罗来纳州经济发展格局的重要组成部分，通过提供免费咨询服务、经济实惠的培训项目和支持资源，显著影响了南卡罗来纳州的经济。自1979年成立以来，SBDC帮助了超过33,200名企业家，创造了13,000个工作岗位，并在过去五年内吸引了超过4.27亿美元的投资。

克莱姆森地区SBDC与克莱姆森大学的合作，推动了创业精神，增强了社区和学术支持，促进了南卡罗来纳州的可持续发展。SBDC还通过克莱姆森SBDC学生中心为学生提供真实的商业咨询经验，学生们已协助了500多家企业，贡献了10,500小时的咨询服务。该中心还与市场营销系合作，提供实践学习机会。克莱姆森地区SBDC的成功不仅体现在经济发展上，还体现在对学生的教育和社区的贡献上。

Carlos Garcia教授的研究团队

2023年11月29日，Wiley Analytical Science发布了一篇对Carlos D. Garcia教授的采访文章。Carlos D. Garcia是克莱姆森大学化学系的教授，同时也是克莱姆森大学教师进步办公室的教员研究员和英国皇家化学学会的会士。Garcia教授的研究团队主要集中在微流控和电化学检测、蛋白质吸附以及生物传感器领域。他们的实验室分为三个部分：一部分研究蛋白质在纳米结构表面的吸附，另一部分进行基于微流控的分离和检测工作，第三部分则应用人工智能预测天然深共晶溶剂的形成。

Garcia教授强调，他们的目标是开发更简单、更快速、更高效的分析方法，主要用于生物医学问题。文章还探讨了开发微流控和纸基设备的主要挑战，如如何在小样本体积下获得有意义的结果，以及如何克服低检测限的问题。此外，Garcia教授还分享了他在微分析化学领域的专业背景和日常工作情况，以及他对工作中最享受和最具挑战性的方面的看法。

金纳米结构在生物传感器中的前景

2023年9月13日，《Scientific Reports》发表了一项关于多重金纳米粒子（GNPs）生物传感器的研究，该传感器用于超灵敏检测和基因分型马疱疹病毒（EHV-1和EHV-4）。研究团队开发了两种不同封端剂的GNPs生物传感器：柠檬酸盐-GNPs和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）-GNPs。实验结果表明，柠檬酸盐-GNPs和PVP-GNPs生物传感器能够在多重实时PCR（rPCR）中检测到EHV-1和EHV-4的稀释液，检测限为单拷贝。

具体来说，柠檬酸盐-GNPs和PVP-GNPs生物传感器可以检测到EHV-1的稀释液，平均循环阈值（Ct）分别为11.7和9.6；对于EHV-4，平均Ct值分别为10.5和9.2。通过对87个不同临床样本的测试，发现使用多重GNPs生物传感器rPCR比传统多重rPCR多检测出4个阳性样本。这些生物传感器在EHV-1和EHV-4的诊断中具有显著突破，提供了高灵敏度和特异性，能够在非常低的浓度下准确检测目标病毒，从而改善EHV-1和EHV-4的早期检测，促进对感染动物的快速控制，防止病毒传播。

结论

克莱姆森大学开发的“荆棘冠”纳米结构微电极（SC-NMEs）无疑是生物传感器领域的一次革命性突破。通过解决生物污染和通量问题，这种新型电极在复杂样本中实现了更快速和低浓度的检测，特别是在检测金黄色葡萄球菌方面表现出色。克莱姆森大学不仅在科研领域取得了显著成就，还在推动地方经济和学生教育方面发挥了重要作用。Carlos Garcia教授的研究团队在微流控和电化学检测、蛋白质吸附以及生物传感器领域的研究，为未来的生物医学问题提供了更简单、更快速、更高效的分析方法。

金纳米结构在生物传感器中的应用前景广阔，特别是在超灵敏检测和基因分型方面的突破，为早期检测和快速控制传染病提供了新的可能性。克莱姆森大学的这一创新不仅为科学研究带来了新的希望，也为全球健康问题的解决提供了重要的技术支持。未来，随着技术的不断进步和应用的不断扩展，我们有理由相信，生物传感器将在医疗诊断、环境监测和食品安全等领域发挥越来越重要的作用。