便攜式微流控電化學(xué)發(fā)光傳感器在天然水中痕量檢測中的應(yīng)用

群勃龍（TBE）是一種具有黃體酮特性的合成代謝類固醇，廣泛用于畜牧業(yè)。但是，過量使用TBE所產(chǎn)生的代謝排放會通過徑流和滲透污染天然水，從而影響人們的生產(chǎn)生活。 電化學(xué)發(fā)光（ECL）傳感器具有檢測范圍寬、分析速度快、信號穩(wěn)定、重現(xiàn)性高等特點，廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測、食品安全分析和生物臨床診斷等領(lǐng)域。強(qiáng)的ECL信號是傳感領(lǐng)域中保持痕量目標(biāo)檢測高靈敏度的前提。然而，傳統(tǒng)的信號放大策略離不開對高濃度發(fā)光體和共反應(yīng)劑的依賴，從而限制了信號放大效果。目前，一種新型的三元ECL體系被開發(fā)用于發(fā)光信號放大，即通過引入共反應(yīng)促進(jìn)劑來催化共反應(yīng)劑自由基的生成以高效的促進(jìn)ECL發(fā)射。因此，開發(fā)高效的共反應(yīng)促進(jìn)劑并探討內(nèi)在的信號放大機(jī)制具有重要意義。 微流控作為一種交叉學(xué)科技術(shù)，近年來引起了廣泛的研究興趣?；谖⒘骺亻_發(fā)的芯片具有便攜、操作簡單、樣品消耗少等優(yōu)點。目前，微流控芯片在即時診斷和體外器官模擬方面發(fā)展迅速。 基于此，濟(jì)南大學(xué)魏琴教授結(jié)合三電極體系和微流控技術(shù)，開發(fā)了一款新型ECL傳感器，該傳感器方便易攜、檢測精度高，可實現(xiàn)TBE含量的快速實時檢測。相關(guān)成果以“A Portable Microfluidic-Based Electrochemiluminescence Sensor for TraceDetection of Trenbolone in Natural Water”為題發(fā)表在國際化學(xué)權(quán)威雜志Analytical Chemistry上。文章第一作者為博士研究生宋先震，通訊作者為李玉陽博士和魏琴教授。 圖1 傳感器的構(gòu)建流程示意圖 ? 所開發(fā)的基于微流控芯片的ECL傳感器對TBE的檢測具有高的靈敏度，線性范圍為10fg/mL至100ng/mL，檢測限低至3.32fg/mL，這對于及時快速分析環(huán)境污染物，尤其是激素和類固醇環(huán)境污染物具有重要意義。 ? 圖2 （A）開發(fā)的傳感器在一系列不同濃度的TBE標(biāo)準(zhǔn)樣品下的ECL響應(yīng)（a-h：10fg/mL-100ng/mL）；（B）對應(yīng)的校準(zhǔn)曲線；（C）傳感器的特異性；（D）穩(wěn)定性和 （E）再現(xiàn)性。 具體來看，研究人員首先開發(fā)了一種用于信號放大的三元ECL體系。選擇發(fā)光性能穩(wěn)定的PTCA作為ECL發(fā)射體。其次，選擇Cu?MoS?作為共反應(yīng)促進(jìn)劑以催化S?O?2?生成更多的SO?^.?，從而放大ECL響應(yīng)。具體來說，Cu?MoS?中混合價態(tài)過渡金屬離子（Cu?/Cu2?和Mo??/Mo??）的可逆轉(zhuǎn)化極大地促進(jìn)了SO?^.?的生成。同時，其獨(dú)特的中空多孔結(jié)構(gòu)具有大的比表面積，這進(jìn)一步提高了催化性能，因此得到了強(qiáng)的ECL信號，從而提高了傳感器的檢測靈敏度。具體的信號放大和發(fā)光機(jī)制如圖3所示。 圖3（A）（a）裸電極，（b）PTCA，（c）PTCA/Cu?MoS?在含50mM的S?O?2?的PBS中的ECL響應(yīng)，（d）PTCA 和（e）PTCA/Cu?MoS?在純PBS中的ECL響應(yīng)；（B-C）PTCA和PTCA/Cu?MoS?在含50mM的S?O?2?的PBS中的ECL光譜和CV響應(yīng)；（D）發(fā)光機(jī)理示意圖。 此外，為了提高傳感器的實用性，研究人員自主設(shè)計了一種便攜式微流控芯片，并在其中集成了三電極檢測體系。微流控芯片的制備是通過絲網(wǎng)印刷和濕法刻蝕得到微電極基板，并通過軟刻蝕技術(shù)最終構(gòu)建。設(shè)計的傳感器芯片實現(xiàn)了檢測過程的自動化和便攜化，適用于天然水中環(huán)境污染物的痕量檢測。芯片的具體制備過程如圖4所示。 圖4 微流控芯片的構(gòu)建流程示意圖 ? 綜上所述，研究人員開發(fā)了一種用于TBE痕量檢測的便攜式傳感器芯片。具體而言，設(shè)計了以PTCA為發(fā)光體、S?O?2?為共反應(yīng)劑、Cu?MoS?為共反應(yīng)促進(jìn)劑的三元ECL體系，實現(xiàn)了高效的信號放大。首先，具有發(fā)光特性的PTCA在S?O?2?中表現(xiàn)出穩(wěn)定的ECL發(fā)射。其次，Cu?MoS?固有的混合價金屬離子對和中空多孔結(jié)構(gòu)提供了良好的催化能力，可作用于S?O?2?生成更多的SO?^.?，從而獲得強(qiáng)的ECL信號，為微量靶標(biāo)分析提供了保障。此外，研究人員設(shè)計了一種便攜式微流控芯片，通過集成三電極體系將其應(yīng)用于ECL檢測。開發(fā)的傳感器芯片具有良好的靈敏度和穩(wěn)定性，以及優(yōu)異的檢測準(zhǔn)確度和精密度，可實現(xiàn)天然水中環(huán)境污染物的痕量靈敏檢測。 論文鏈接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.2c02780 審核編輯 ：李倩