基于纸基材和光电化学检测技术的综合优势，比如低成本、便携、易于操作、灵敏度高等，纸微流控光电化学分析装置在环境监测、食品安全、疾病诊断等领域引起了广泛的研究兴趣。尽管纸基光电化学检测方法在实际分析应用中已经取得了极大的成功，其分析灵敏度和选择性仍差强人意。该局限主要源于纸通道传质速率低和单信号的读出模式。
在纸基分析装置的构建过程中，中空通道作为一种流体流动控制工具通常用于加速纸通道内流体流动，强化装置流体功能。但是，传统的中空通道只含有一个亲水的底部，其通道传质速率相对较低。对于单信号读出模式，由于外界环境、检测仪器、目标分析物等影响，单信号分析策略容易引起假阳性或阴性错误，降低痕量分析的准确性和灵敏度。而双信号的比率分析策略可以有效地最小化单信号检测过程中存在的内外界干扰，提高分析检测的可靠性。尽管波长分辨和电压分辨的比率光电化学传感器已经被成功地构建，但是由于其对光电活性材料临界电压和激发波长的严格要求，比率光电化学分析法在实际应用中充满挑战。
近日，济南大学的于京华教授（点击查看介绍）团队构建了一个供体/受体诱导的比率光电化学纸基分析装置，整合中空双亲壁通道用于microRNA-141定量。该装置由光控板、工作板、中空通道板、半通道板组成。其中，工作板集成流体加速器、活化孔、光电阳极/阴极、Ag/AgCl参比电极、碳对电极，半通道板整合半亲水和半疏水功能区。基于全方位的金纳米粒子功能化和二次蜡染技术，光电阳极/阴极上形成电流体和纯电结构。工作板和半通道板上的电流体和纸流体网络赋予中空通道亲水的顶部和底部。相比于只含有一个亲水底部的传统中空通道，他们设计的中空双亲壁通道可以极大地增大通道传质速率，进一步提高分析性能。
光电阳极/阴极上二次蜡染功能区兼具电子导通和流体绝缘的特性，确保离散的点分析。为了规划信号放大策略，他们设计了一个新型的双链特异性核酸酶（DSN）诱导的目标循环反应，其可以实现DNA探针双输出，避免传统DSN反应中DNA链浪费问题。输出的DNA探针引发级联杂交链反应，形成树枝状DNA聚合双螺旋结构。基于静电相互作用，金纳米粒子组装在DNA聚合双螺旋结构的主干和分支上，获得具有葡萄糖氧化酶模拟活性的多枝状金树，其可以催化葡萄糖氧化反应诱导电子受体O2的消耗和电子供体H2O2的生成，导致光电阴极电流减小而光电阳极电流增加，实现双信号比率检测。得益于中空双亲壁通道的高传质速率、双信号比率读出模式、级联的信号放大策略，该纸基比率光电化学生物传感器表现出高的灵敏度、有说服力的选择性、良好的实用性。更重要的是，他们构建的纸基比率光电化学传感平台不仅战胜了比率光电化学分析对光电活性材料的严重依赖性，而且提供了一个提高纸基分析装置传质速率的新途径。
这一研究成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是济南大学的博士研究生杨红梅，通讯作者为济南大学化学化工学院的于京华教授、赵珮妮博士和山东省肿瘤医院的宋现让教授。相关研究工作得到国家自然科学基金委（21874055）的支持。
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Donor/Acceptor-Induced Ratiometric Photoelectrochemical Paper Analytical Device with a Hollow Double-Hydrophilic-Walls Channel for microRNA Quantification
Hongmei Yang, Mengsu Hu, Zhenglin Li, Peini Zhao,* Li Xie, Xianrang Song,* Jinghua Yu*
Anal. Chem., 2019, 91, 14577-14585, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b03638
导师介绍
于京华
https://www.x-mol.com/university/faculty/20261
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