哈工大推出傳感平臺——通用靈活的半自動多通道檢測器

　　電化學傳感一直是化學/生物傳感領域的前沿技術，并在分析化學領域發揮著重要作用。電極作為電化學傳感器的基本組成元件，很大程度上影響著傳感器的性能。根據傳感界面物理形狀，電極可分為以下三類：經典圓盤電極（如玻碳電極）、絲網印刷電極、學者開發的自支撐電極（如石墨烯泡沫、金/銀納米線/棒）等。目前，大多數電化學傳感器都是基于平面圓盤電極、絲網印刷電極制備的。這種現狀伴隨而來的潛在問題包括：（1）圓盤電極常需要輔助電極參與，導致傳感裝置冗雜、增加操作步驟的同時還增加了樣本溶液消耗與人為系統誤差。（2）受制于圓盤電極傳感區域有限的比表面積，常需借助納米材料修飾圓盤電極來增加界面面積以提升傳感性能。（3）圓盤電極的液體利用率不高，不利于微量、貴重生物樣本的分析。（4）學者開發的自支撐電極材料制備技術大都條件苛刻，難以大規模批量制備，僅適用于實驗室研究階段。（5）基于上述三類電極構建的傳感器大都處于開放環境下使用，容易受到外界環境的干擾。

　　哈爾濱工業大學（深圳）李迎春教授團隊提出了一種通用靈活的手持吸嘴式電化學傳感平臺，可以很大程度上避免上述平面圓盤電極及絲網印刷電極所帶來的傳感器制造和使用中的各類問題，該工作全面探討了吸嘴式傳感器的制造技術、吸嘴式傳感器基礎電化學傳感性能以及其在臟器疾病多指標同時分析及多通道、高通量檢測方面的應用。該研究論文在線發表在Analytical Chemistry 期刊上。

　　該傳感平臺由移液器、微型恒電位儀及吸嘴傳感器等三部分組成（圖1）。其中，移液器吸嘴內設置了具有曲面結構的各類電極，所有的檢測工作均在該吸嘴內進行。該傳感平臺可采用單手操作，完成包括采樣、檢測、溶液更換在內的整個檢測過程。同時該平臺還具有如下特點：（1）可以通過調節移液器刻度來控制吸嘴內液體的體積，使得傳感電極的工作面積發生精準改變，進而可以靈活地調整靈敏度和檢測范圍，以適應不同的應用場景。（2）可以在一個吸嘴內設置多個工作電極，對每個電極進行特定修飾后，即可實現同一樣本中多個靶標的同時分析。（3）將八個三電極吸嘴與多通道移液器組裝整合，即可構建一套高通量陣列式電化學傳感系統。研究中以亞硝酸鹽、肝功多指標（丙氨酸氨基轉移酶、天冬氨酸氨基轉移酶、膽紅素）、尿酸為模型分析物，對吸嘴式傳感平臺的上述三個特點分別進行了考察，證實其在靈敏度靈活調節、多指標檢測及高通量檢測方面的特性與應用潛力。

圖1. 吸嘴式傳感平臺及其傳感性能與多指標、多通道傳感應用圖示

　　這項工作首先構建了一款單通道三電極吸嘴式傳感器（TTLS1）（圖2），該傳感器可以借助移液器來精密控制取樣量，進而可以輕松實現工作電極電化學界面面積的調整。進而對電信號強度和靈敏度進行靈活地調節。吸嘴式傳感器這一獨特的性質可以提升電化學傳感性能，使得傳感方法具有更多的應用潛能：對于高濃度的樣品，可以通過減小加樣體積來降低傳感器對分析物的響應信號，松地進行分析測試工作，不再需要對樣本進行稀釋，進而減少了操作步驟。對于低濃度樣品，可以通過增加采樣量來提高靈敏度和提升檢測限，以滿足痕量樣本的分析需求。因此，TTLS1 具有極大的操作便利性、可調的檢測范圍、較高的靈敏度，是一個理想的電化學傳感分析工具。

圖2. TTLS1構成和電化學傳感行為；（a）TTLS1 的整體示意圖、吸嘴傳感器側面與頂部示意圖；（b）微型恒電位儀系統框架圖；（c）不同體積探針下的循環伏安圖；（d不同體積探針下的奈奎斯特曲線；（e）TTLS1 在不同采樣體積下的示意圖；（f）不同采樣體積下，TTLS1對亞硝酸鹽的伏安響應曲線；（g）TTLS1對低濃度范圍亞硝酸鹽的響應擬合曲線；（h）TTLS1對高濃度范圍亞硝酸鹽的響應擬合曲線

　　隨后，研究者們展示了一種多工作電極吸嘴式電化學傳感器（TTLS2）（圖3），并考察了其在三種肝功能生物標志物（丙氨酸氨基轉移酶（ALT）、天冬氨酸氨基轉移酶（AST）和游離膽紅素（BIL））同時傳感分析中的應用潛力。在酶催化及分子印跡聚合物的輔助下，實現了上述三種生物標志物的同時檢測。

圖3. 多工作電極吸嘴式傳感器（TTLS2）及其在肝功多指標生物標志物分析中的應用；（a）TTLS2 的示意圖、吸嘴傳感器側面與頂部示意圖；（b）涉及的關鍵酶催化反應；（c）TTLS2各工作電極修飾示意圖及ALT和AST檢測原理；（d）Mo2C微球的SEM和mapping圖；（e）工作電極的穩定性測試；（f）、（g）工作電極W1對ALT和AST 的 SWV響應曲線；（h）工作電極W2對AST的 SWV響應曲線

　　最后，考慮到吸嘴式傳感器在大批量樣品分析時的實用性，作者建立了一種8通道吸嘴式傳感陣列（TTLS3）（圖4），用于大量樣本的高通量分析。該傳感體系由一個八通道吸嘴式傳感器陣列和一個自制96 孔板組成。采用尿酸作為模型分析物驗證了傳感平臺的高通量傳感能力。如圖4所示，響應信號在八個獨立傳感單元之間表現出良好的一致性。

圖4. 八通道吸嘴式傳感陣列（TTLS3）及其對尿酸的多路復用分析。（a）吸嘴式傳感陣列系統示意圖；（b）各傳感單元對系列濃度尿酸的SWV響應；（c）各傳感器單元對尿酸的響應擬合曲線和回歸方程

　　哈爾濱工業大學（深圳）博士后劉江以及2019級博士生劉曉雪為論文的共同第一作者，本論文的通訊作者為哈爾濱工業大學（深圳）李迎春教授。