《背景介紹》
電化學(xué)發(fā)光(ECL)具有檢測(cè)范圍寬、分析速度快、信號(hào)穩(wěn)定、重現(xiàn)性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)、食品安全分析和生物臨床診斷等領(lǐng)域。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(guò)量使用TBE所產(chǎn)生的代謝排放會(huì)通過(guò)徑流和滲透污染天然水，從而影響人們的生產(chǎn)生活。因此，我們開(kāi)發(fā)了一種高效的ECL傳感器以實(shí)現(xiàn)天然水中TBE的痕量檢測(cè)。
微流控作為一種新的交叉學(xué)科技術(shù)，引起了廣泛的研究興趣?；谖⒘骺亻_(kāi)發(fā)的芯片具有便攜、操作簡(jiǎn)單、樣品消耗少等優(yōu)點(diǎn)。目前，微流控芯片在床邊實(shí)時(shí)診斷和體外器官模擬方面發(fā)展迅速。在此，我們通過(guò)結(jié)合三電極體系應(yīng)用于微流控芯片進(jìn)行ECL傳感分析。所開(kāi)發(fā)的傳感器芯片方便易攜，檢測(cè)精度高，可實(shí)現(xiàn)TBE含量的快速實(shí)時(shí)檢測(cè)。
強(qiáng)的ECL信號(hào)是傳感領(lǐng)域中保持痕量目標(biāo)檢測(cè)高靈敏度的前提。然而，傳統(tǒng)的信號(hào)放大策略離不開(kāi)對(duì)高濃度發(fā)光體和共反應(yīng)劑的依賴，從而限制了信號(hào)放大效果。目前，一種新型的三元ECL體系被開(kāi)發(fā)用于發(fā)光信號(hào)放大，即通過(guò)引入共反應(yīng)促進(jìn)劑來(lái)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(kāi)發(fā)高效的共反應(yīng)促進(jìn)劑并探討內(nèi)在的信號(hào)放大機(jī)制具有重要意義。
近期，濟(jì)南大學(xué)魏琴教授課題組報(bào)道了一種用于天然水中群勃龍痕量檢測(cè)的便攜式微流控電化學(xué)發(fā)光傳感器。相關(guān)成果以“A Portable Microfluidic-Based Electrochemiluminescence Sensor for Trace Detection of Trenbolone in Natural Water”為題發(fā)表在國(guó)際化學(xué)權(quán)威雜志Analytical Chemistry上(doi.org/10.1021/acs.analchem.2c02780)。文章第一作者為博士研究生宋先震，通訊作者為李玉陽(yáng)博士和魏琴教授。
研究的主要內(nèi)容
ECL傳感器的構(gòu)建過(guò)程如圖1所示：
圖1. 傳感器的構(gòu)建流程示意圖。
該工作的主要內(nèi)容如下：
（1）開(kāi)發(fā)了一種基于微流控技術(shù)的高靈敏電化學(xué)發(fā)光傳感器，實(shí)現(xiàn)了天然水中群勃龍的痕量檢測(cè)。
近年來(lái)，大量使用群勃龍（TBE）引起的代謝排放會(huì)污染環(huán)境，尤其是水資源，從而影響人類健康。因此，我們開(kāi)發(fā)了一種高效的基于微流控芯片的ECL傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境水中TBE的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。開(kāi)發(fā)的傳感器對(duì)TBE的檢測(cè)具有高的靈敏度，線性范圍為10 fg/mL至100 ng/mL，檢測(cè)限低至3.32 fg/mL，這對(duì)于及時(shí)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。
ECL傳感器的檢測(cè)性能如圖2所示：
圖2. (A) 開(kāi)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：10 fg/mL-100 ng/mL）。(B) 對(duì)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。
（2）開(kāi)發(fā)了一種高效的信號(hào)放大策略，以提高傳感器的檢測(cè)靈敏度。
在這項(xiàng)研究中，我們開(kāi)發(fā)了一種用于信號(hào)放大的三元ECL體系。首先，選擇發(fā)光性能穩(wěn)定的PTCA作為ECL發(fā)射體。其次，選擇Cu2MoS4作為共反應(yīng)促進(jìn)劑以催化S2O82-生成更多的SO4?-，從而放大ECL響應(yīng)。具體來(lái)說(shuō)，Cu2MoS4中混合價(jià)態(tài)過(guò)渡金屬離子（Cu+/Cu2+和Mo4+/Mo6+）的可逆轉(zhuǎn)化極大地促進(jìn)了SO4?-的生成。同時(shí)，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，我們得到了強(qiáng)的ECL信號(hào)，從而提高了傳感器的檢測(cè)靈敏度。
具體的信號(hào)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/Cu2MoS4在含50 mM的S2O82-的PBS中的ECL響應(yīng)；(d) PTCA 和 (e) PTCA/Cu2MoS4在純PBS中的ECL響應(yīng)。(B)-(C) PTCA和PTCA/Cu2MoS4在含50 mM的S2O82-的PBS中的ECL光譜和CV響應(yīng)。(D) 發(fā)光機(jī)理示意圖。
（3）設(shè)計(jì)了便攜式微流控芯片用于傳感檢測(cè)。
為了提高傳感器的實(shí)用性，我們自主設(shè)計(jì)了一種便攜式微流控芯片，并在其中集成了三電極檢測(cè)體系。在此，我們創(chuàng)造性地將ECL檢測(cè)與微流控芯片相結(jié)合，通過(guò)絲網(wǎng)印刷和濕法刻蝕得到微電極基板，并通過(guò)軟刻蝕技術(shù)構(gòu)建了相應(yīng)的微流控芯片。設(shè)計(jì)的傳感器芯片實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化和便攜化，適用于天然水中環(huán)境污染物的痕量檢測(cè)。
芯片的制備過(guò)程如圖4所示：
圖4. 微流控芯片的構(gòu)建流程示意圖。
小結(jié)
在這項(xiàng)工作中，我們開(kāi)發(fā)了一種用于TBE痕量檢測(cè)的便攜式傳感器芯片。具體而言，設(shè)計(jì)了以PTCA為發(fā)光體、S2O82-為共反應(yīng)劑、Cu2MoS4為共反應(yīng)促進(jìn)劑的三元ECL體系，實(shí)現(xiàn)了高效的信號(hào)放大。首先，具有發(fā)光特性的PTCA在S2O82-中表現(xiàn)出穩(wěn)定的ECL發(fā)射。其次，Cu2MoS4固有的混合價(jià)金屬離子對(duì)和中空多孔結(jié)構(gòu)提供了良好的催化能力，可作用于S2O82-生成更多的SO4?-，從而獲得強(qiáng)的ECL信號(hào)，為微量靶標(biāo)分析提供了保障。此外，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種便攜式微流控芯片，通過(guò)集成三電極體系將其應(yīng)用于ECL檢測(cè)。開(kāi)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(cè)準(zhǔn)確度和精密度，可實(shí)現(xiàn)天然水中環(huán)境污染物的痕量靈敏檢測(cè)。
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