《背景介绍》
电化学发光(ECL)具有检测范围宽、分析速度快、信号稳定、重现性高等特点，广泛应用于环境检测、食品安全分析和生物临床诊断等领域。群勃龙(TBE) 是一种具有黄体酮特性的合成代谢类固醇，广泛用于畜牧业。但是，过量使用TBE所产生的代谢排放会通过径流和渗透污染天然水，从而影响人们的生产生活。因此，我们开发了一种高效的ECL传感器以实现天然水中TBE的痕量检测。
微流控作为一种新的交叉学科技术，引起了广泛的研究兴趣。基于微流控开发的芯片具有便携、操作简单、样品消耗少等优点。目前，微流控芯片在床边实时诊断和体外器官模拟方面发展迅速。在此，我们通过结合三电极体系应用于微流控芯片进行ECL传感分析。所开发的传感器芯片方便易携，检测精度高，可实现TBE含量的快速实时检测。
强的ECL信号是传感领域中保持痕量目标检测高灵敏度的前提。然而，传统的信号放大策略离不开对高浓度发光体和共反应剂的依赖，从而限制了信号放大效果。目前，一种新型的三元ECL体系被开发用于发光信号放大，即通过引入共反应促进剂来催化共反应剂自由基的生成以高效的促进ECL发射。因此，开发高效的共反应促进剂并探讨内在的信号放大机制具有重要意义。
近期，济南大学魏琴教授课题组报道了一种用于天然水中群勃龙痕量检测的便携式微流控电化学发光传感器。相关成果以“A Portable Microfluidic-Based Electrochemiluminescence Sensor for Trace Detection of Trenbolone in Natural Water”为题发表在国际化学权威杂志Analytical Chemistry上(doi.org/10.1021/acs.analchem.2c02780)。文章第一作者为博士研究生宋先震，通讯作者为李玉阳博士和魏琴教授。
研究的主要内容
ECL传感器的构建过程如图1所示：
图1. 传感器的构建流程示意图。
该工作的主要内容如下：
（1）开发了一种基于微流控技术的高灵敏电化学发光传感器，实现了天然水中群勃龙的痕量检测。
近年来，大量使用群勃龙（TBE）引起的代谢排放会污染环境，尤其是水资源，从而影响人类健康。因此，我们开发了一种高效的基于微流控芯片的ECL传感器，以实现对环境水中TBE的实时动态监测。开发的传感器对TBE的检测具有高的灵敏度，线性范围为10 fg/mL至100 ng/mL，检测限低至3.32 fg/mL，这对于及时快速分析环境污染物，尤其是激素和类固醇环境污染物具有重要意义。
ECL传感器的检测性能如图2所示：
图2. (A) 开发的传感器在一系列不同浓度的TBE标准样品下的ECL响应（a-h：10 fg/mL-100 ng/mL）。(B) 对应的校准曲线。(C) 传感器的特异性，(D) 稳定性和 (E) 再现性。
（2）开发了一种高效的信号放大策略，以提高传感器的检测灵敏度。
在这项研究中，我们开发了一种用于信号放大的三元ECL体系。首先，选择发光性能稳定的PTCA作为ECL发射体。其次，选择Cu2MoS4作为共反应促进剂以催化S2O82-生成更多的SO4•-，从而放大ECL响应。具体来说，Cu2MoS4中混合价态过渡金属离子（Cu+/Cu2+和Mo4+/Mo6+）的可逆转化极大地促进了SO4•-的生成。同时，其独特的中空多孔结构具有大的比表面积，这进一步提高了催化性能。因此，我们得到了强的ECL信号，从而提高了传感器的检测灵敏度。
具体的信号放大和发光机制如图3所示：
图3. (A) (a) 裸电极，(b) PTCA，(c) PTCA/Cu2MoS4在含50 mM的S2O82-的PBS中的ECL响应；(d) PTCA 和 (e) PTCA/Cu2MoS4在纯PBS中的ECL响应。(B)-(C) PTCA和PTCA/Cu2MoS4在含50 mM的S2O82-的PBS中的ECL光谱和CV响应。(D) 发光机理示意图。
（3）设计了便携式微流控芯片用于传感检测。
为了提高传感器的实用性，我们自主设计了一种便携式微流控芯片，并在其中集成了三电极检测体系。在此，我们创造性地将ECL检测与微流控芯片相结合，通过丝网印刷和湿法刻蚀得到微电极基板，并通过软刻蚀技术构建了相应的微流控芯片。设计的传感器芯片实现了检测过程的自动化和便携化，适用于天然水中环境污染物的痕量检测。
芯片的制备过程如图4所示：
图4. 微流控芯片的构建流程示意图。
小结
在这项工作中，我们开发了一种用于TBE痕量检测的便携式传感器芯片。具体而言，设计了以PTCA为发光体、S2O82-为共反应剂、Cu2MoS4为共反应促进剂的三元ECL体系，实现了高效的信号放大。首先，具有发光特性的PTCA在S2O82-中表现出稳定的ECL发射。其次，Cu2MoS4固有的混合价金属离子对和中空多孔结构提供了良好的催化能力，可作用于S2O82-生成更多的SO4•-，从而获得强的ECL信号，为微量靶标分析提供了保障。此外，我们设计了一种便携式微流控芯片，通过集成三电极体系将其应用于ECL检测。开发的传感器芯片具有良好的灵敏度和稳定性，以及优异的检测准确度和精密度，可实现天然水中环境污染物的痕量灵敏检测。
文章来源：济大产研院知识产权服务平台
