哈工大推出传感平台——通用灵活的半自动多通道检测器

　　电化学传感一直是化学/生物传感领域的前沿技术，并在分析化学领域发挥着重要作用。电极作为电化学传感器的基本组成元件，很大程度上影响着传感器的性能。根据传感界面物理形状，电极可分为以下三类：经典圆盘电极（如玻碳电极）、丝网印刷电极、学者开发的自支撑电极（如石墨烯泡沫、金/银纳米线/棒）等。目前，大多数电化学传感器都是基于平面圆盘电极、丝网印刷电极制备的。这种现状伴随而来的潜在问题包括：（1）圆盘电极常需要辅助电极参与，导致传感装置冗杂、增加操作步骤的同时还增加了样本溶液消耗与人为系统误差。（2）受制于圆盘电极传感区域有限的比表面积，常需借助纳米材料修饰圆盘电极来增加界面面积以提升传感性能。（3）圆盘电极的液体利用率不高，不利于微量、贵重生物样本的分析。（4）学者开发的自支撑电极材料制备技术大都条件苛刻，难以大规模批量制备，仅适用于实验室研究阶段。（5）基于上述三类电极构建的传感器大都处于开放环境下使用，容易受到外界环境的干扰。

　　哈尔滨工业大学（深圳）李迎春教授团队提出了一种通用灵活的手持吸嘴式电化学传感平台，可以很大程度上避免上述平面圆盘电极及丝网印刷电极所带来的传感器制造和使用中的各类问题，该工作全面探讨了吸嘴式传感器的制造技术、吸嘴式传感器基础电化学传感性能以及其在脏器疾病多指标同时分析及多通道、高通量检测方面的应用。该研究论文在线发表在Analytical Chemistry 期刊上。

　　该传感平台由移液器、微型恒电位仪及吸嘴传感器等三部分组成（图1）。其中，移液器吸嘴内设置了具有曲面结构的各类电极，所有的检测工作均在该吸嘴内进行。该传感平台可采用单手操作，完成包括采样、检测、溶液更换在内的整个检测过程。同时该平台还具有如下特点：（1）可以通过调节移液器刻度来控制吸嘴内液体的体积，使得传感电极的工作面积发生精准改变，进而可以灵活地调整灵敏度和检测范围，以适应不同的应用场景。（2）可以在一个吸嘴内设置多个工作电极，对每个电极进行特定修饰后，即可实现同一样本中多个靶标的同时分析。（3）将八个三电极吸嘴与多通道移液器组装整合，即可构建一套高通量阵列式电化学传感系统。研究中以亚硝酸盐、肝功多指标（丙氨酸氨基转移酶、天冬氨酸氨基转移酶、胆红素）、尿酸为模型分析物，对吸嘴式传感平台的上述三个特点分别进行了考察，证实其在灵敏度灵活调节、多指标检测及高通量检测方面的特性与应用潜力。

图1. 吸嘴式传感平台及其传感性能与多指标、多通道传感应用图示

　　这项工作首先构建了一款单通道三电极吸嘴式传感器（TTLS1）（图2），该传感器可以借助移液器来精密控制取样量，进而可以轻松实现工作电极电化学界面面积的调整。进而对电信号强度和灵敏度进行灵活地调节。吸嘴式传感器这一独特的性质可以提升电化学传感性能，使得传感方法具有更多的应用潜能：对于高浓度的样品，可以通过减小加样体积来降低传感器对分析物的响应信号，松地进行分析测试工作，不再需要对样本进行稀释，进而减少了操作步骤。对于低浓度样品，可以通过增加采样量来提高灵敏度和提升检测限，以满足痕量样本的分析需求。因此，TTLS1 具有极大的操作便利性、可调的检测范围、较高的灵敏度，是一个理想的电化学传感分析工具。

图2. TTLS1构成和电化学传感行为；（a）TTLS1 的整体示意图、吸嘴传感器侧面与顶部示意图；（b）微型恒电位仪系统框架图；（c）不同体积探针下的循环伏安图；（d不同体积探针下的奈奎斯特曲线；（e）TTLS1 在不同采样体积下的示意图；（f）不同采样体积下，TTLS1对亚硝酸盐的伏安响应曲线；（g）TTLS1对低浓度范围亚硝酸盐的响应拟合曲线；（h）TTLS1对高浓度范围亚硝酸盐的响应拟合曲线

　　随后，研究者们展示了一种多工作电极吸嘴式电化学传感器（TTLS2）（图3），并考察了其在三种肝功能生物标志物（丙氨酸氨基转移酶（ALT）、天冬氨酸氨基转移酶（AST）和游离胆红素（BIL））同时传感分析中的应用潜力。在酶催化及分子印迹聚合物的辅助下，实现了上述三种生物标志物的同时检测。

图3. 多工作电极吸嘴式传感器（TTLS2）及其在肝功多指标生物标志物分析中的应用；（a）TTLS2 的示意图、吸嘴传感器侧面与顶部示意图；（b）涉及的关键酶催化反应；（c）TTLS2各工作电极修饰示意图及ALT和AST检测原理；（d）Mo2C微球的SEM和mapping图；（e）工作电极的稳定性测试；（f）、（g）工作电极W1对ALT和AST 的 SWV响应曲线；（h）工作电极W2对AST的 SWV响应曲线

　　最后，考虑到吸嘴式传感器在大批量样品分析时的实用性，作者建立了一种8通道吸嘴式传感阵列（TTLS3）（图4），用于大量样本的高通量分析。该传感体系由一个八通道吸嘴式传感器阵列和一个自制96 孔板组成。采用尿酸作为模型分析物验证了传感平台的高通量传感能力。如图4所示，响应信号在八个独立传感单元之间表现出良好的一致性。

图4. 八通道吸嘴式传感阵列（TTLS3）及其对尿酸的多路复用分析。（a）吸嘴式传感阵列系统示意图；（b）各传感单元对系列浓度尿酸的SWV响应；（c）各传感器单元对尿酸的响应拟合曲线和回归方程

　　哈尔滨工业大学（深圳）博士后刘江以及2019级博士生刘晓雪为论文的共同第一作者，本论文的通讯作者为哈尔滨工业大学（深圳）李迎春教授。