福州大学林振宇研究团队在《Biosensors and Bioelectronics》上发表研究论文

近期，福州大学等单位研究人员在《Biosensors and Bioelectronics》期刊上发表了一项重要成果，提出了一种受蛋白质变性启发的微通道电化学发光传感器，用于检测食品中的甲醛含量（Biosensors and Bioelectronics, 2025, 267, 116778.）。这项新技术为甲醛检测提供了高灵敏度和选择性，尤其是在食品安全检测领域具有广泛应用前景。

一、背景介绍

甲醛（HCHO）是一种具有广泛用途的简单醛类化合物，常用于生物医学、化学和工业领域。然而，过量摄入甲醛会对人体健康造成威胁，特别是在一些食品中被滥用作为保鲜剂。传统的甲醛检测方法如气相色谱-质谱联用和高效液相色谱等，通常忽略了甲醛的水溶性及其在纳米通道中的传播特性。基于这一特点，研究人员设计了一种新型的微通道电化学发光传感器，灵感来自甲醛引起的蛋白质变性过程，通过电化学发光（ECL）信号变化实现甲醛的高灵敏度检测。

二、仪器设备

电化学工作站：用于分析功能化微通道界面的离子运输行为。

BPCL超微弱发光分析仪：用于记录Ru(phen)32+/TPrA体系的光子发射。

激光拉伸机：用于制作锥形微通道，以确保微通道的精确尺寸和性能。

三、主要研究内容

本研究设计了一种受蛋白质变性启发的微通道电化学发光（ECL）传感器，用于高灵敏度地检测甲醛（HCHO）。该传感器结合了乙烯二胺（EDA）分子与甲醛反应生成亚胺的机制，以及电渗流（EOF）对电流和ECL强度的影响。研究首先通过将EDA分子功能化附着于微通道界面，利用甲醛的水溶性特性使其在电场作用下快速扩散至微通道的接口，进而与EDA反应，形成带负电的亚胺分子。此反应显著增加了界面负电荷密度，进而引发电渗流效应，从而改变了微通道内的离子浓度，最终影响电流和ECL强度。

图1A展示了功能化微通道在不同处理条件下的离子电流变化。曲线i代表未功能化的羧基微通道，其中离子电流在负电压下明显大于正电压方向，这表明该微通道具有负电荷。曲线ii显示，经过EDA功能化处理的微通道，负电压下的离子电流下降，正电压下几乎没有变化，说明EDA分子成功附着在微通道界面上。曲线iii则展示了在加入甲醛后的变化，反应生成的亚胺分子增加了界面负电荷密度，从而增强了电渗流，并导致负电压方向的离子电流回升。这表明，EDA与甲醛的反应不仅改变了微通道界面的电荷密度，还影响了离子运输。

图1B进一步展示了甲醛浓度对ECL强度的影响。当甲醛浓度从0增加到100 ng/mL时，ECL强度逐渐减弱。这是因为随着甲醛分子与EDA反应，增加了界面负电荷密度，增强了EOF效应，导致微通道尖端的离子浓度逐步耗尽。电流和ECL强度的变化与甲醛浓度呈现出良好的线性关系，验证了该传感器在不同浓度范围内的可行性和灵敏度。该结果为后续甲醛浓度测量提供了可靠的依据。

图1. (A) 功能化微通道的离子电流曲线比较；(B) 通过功能化微通道在不同甲醛浓度下的ECL强度-时间曲线评估生物启发传感器的可行性。

为了优化传感器的性能，研究人员还对实验条件进行了优化。图2A展示了不同KCl浓度对ECL强度的影响。随着KCl浓度的增加，ECL强度初期上升并在0.5 M时达到最大值。此时，KCl浓度过低时离子强度不足以促进反应，而浓度过高时氯离子被氧化，产生的氯化氢中间体反而抑制了ECL发光。因此，0.5 M的KCl浓度被选择为最佳浓度。

图2B展示了pH值对ECL强度的影响。随着pH值从6.8增加到7.2，ECL强度显著上升，而当pH值进一步增大时，ECL强度急剧下降。经过测试，pH值为7.2时能够提供最佳的传感性能。这一优化参数的选择确保了ECL信号的稳定性和传感器的灵敏度。

此外，图2C和图2D分别展示了EDA体积和积累反应时间对ECL强度的影响。实验表明，EDA体积过大或过小时均会导致pH失控，影响反应效率。最终选择30 μL的EDA体积，并优化了积累时间为60分钟，确保了传感器的灵敏度和稳定性。

图2. 实验参数的优化，(A) KCl溶液浓度，(B) Tris-HCl缓冲液的pH值，(C) EDA的体积，(D) HCHO的积累/反应时间。检测溶液包含TPrA（13 mM）和Ru(phen)32+（5 μM）。扫描速率设置为0.05 V/s，电势窗口范围为0.4至1.6 V。

在优化实验条件后，研究人员进一步评估了传感器的性能。图3A展示了不同甲醛浓度下的ECL强度变化。ECL强度随着甲醛浓度的增加而显著下降，且在1 pg/mL至100 ng/mL的浓度范围内，ECL强度与甲醛浓度的对数呈线性关系，图3B显示了这一关系，并给出了线性拟合方程：

此方程表明，传感器在检测低浓度甲醛时具有非常高的灵敏度，检测限为0.26 pg/mL。

图3. 生物启发传感器在甲醛检测中的传感性能。(A) 功能化微通道在不同甲醛浓度下的ECL强度-时间曲线；(B) ECL强度与甲醛浓度对数之间的关系。

四、结论

这项研究开发了一种创新的甲醛检测方法，结合了生物学原理与微通道电化学发光技术，具有高选择性和高灵敏度。该传感器在食品安全监测方面具有广泛的应用潜力，尤其是在实时检测甲醛含量方面。此外，实验结果表明该传感器具有较强的抗干扰能力、良好的稳定性和重现性，能够为甲醛检测提供可靠的技术支持。这项工作不仅为甲醛检测提供了一种全新的思路，也展示了将生物启发式设计与现代传感技术相结合的巨大潜力，预示着未来传感器技术的更多应用场景。

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原文出处：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116778 

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