全有机光电化学分子印迹传感器用于尿素检测

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Full-organic photoelectrochemical molecularly imprinted sensor for urea detection

尿素检测光电化学分子印迹传感器开发及其特性研究。采用全有机聚合物构建双层结构，PEDOT:PSS光活层增强光吸收与载流子迁移，PPy:PSS分子印迹层形成特异性识别空腔。传感器实现汗液中尿素线性检测（生理浓度范围），抗葡萄糖、乳酸干扰，无需复杂电压调制，光电信号直接反映尿素浓度变化，柔性电极结构适用于非侵入式生物监测，为肝肾疾病诊断提供新途径。

　　这项研究介绍了一种基于全有机聚合物的光电化学分子印迹传感器（PEC-MIP），用于检测人体汗液中的尿素。尿素作为人体蛋白质代谢的终产物，是评估肝肾功能、尿毒症及代谢紊乱的重要生物标志物。然而，传统的尿素检测方法通常依赖血液或尿液样本，这些方法存在采集过程侵入性强、操作复杂等问题。因此，开发一种非侵入式的尿素检测技术具有重要的临床和实际应用价值。本研究提出了一种新型的检测手段，通过结合光电化学原理与分子印迹技术，构建了一种结构简单、性能优异的全有机传感器，有望为肝肾疾病的无创诊断提供新的思路。

该传感器采用了双层结构设计，其核心在于利用了两种有机聚合物材料：聚(3,4-乙撑二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）和聚吡咯：聚苯乙烯磺酸（PPy:PSS）。其中，PEDOT:PSS被用作光活性层，它具有良好的光谱吸收能力和高电荷载流子迁移率，能够有效增强光电流信号。而PPy:PSS则作为分子印迹层，其结构中包含了针对尿素分子的特异性识别空腔。通过在电化学合成过程中引入尿素作为模板分子，PPy:PSS层能够形成高度结构化的结合位点，从而实现对尿素的高度选择性识别。

与传统的无机半导体光电极相比，全有机系统的使用不仅提升了环境友好性和生物相容性，还简化了设备的结构，使其更适合于便携式和可穿戴式的生理监测设备。此外，该传感器的光电流读取方式避免了复杂电位调控的需求，使检测过程更加直观和简便。同时，分子印迹层的“记忆效应”也确保了传感器在重复使用过程中的稳定性与可重复性，为生物分析检测提供了理想的策略。

在实验过程中，研究人员对Ur-PEC-MIP传感器的形态变化进行了系统性的表征，使用扫描电子显微镜（SEM）观察了传感器在不同阶段的结构特征。结果显示，光活性层PEDOT:PSS具有网络状堆叠的形态，这种结构有助于提高光吸收效率。随后，分子印迹层的电化学聚合过程形成了具有粗糙表面的识别层，这一特征对于尿素分子的结合和释放至关重要。通过这些表征手段，研究团队能够验证传感器结构的合理性和功能的完整性。

为了进一步提升传感器的性能，研究人员还对不同组分的相互作用进行了深入探讨。例如，尿素分子在分子印迹层中的保留会阻碍电子供体到达光活性界面，从而抑制光电流的产生。当尿素被洗脱后，这些被阻断的电子传输路径重新开放，导致光电流信号的增强。这种信号调节机制不仅依赖于分子印迹层的结构特性，还受到光活性层材料特性的直接影响。通过优化两种材料的配比和合成条件，研究团队能够实现对尿素浓度的精确检测。

该传感器的检测范围覆盖了人体汗液中尿素的生理浓度区间，表明其在实际应用中具有良好的适用性。同时，它还表现出对常见汗液污染物（如葡萄糖、乳酸）的优异抗干扰能力，这一特性对于实际环境中的复杂样本检测尤为重要。由于汗液样本的采集过程相对简单，无需复杂的预处理步骤，因此这种传感器在临床诊断和日常健康监测中具有广阔的前景。

在应用层面，该传感器的非侵入式特性使其成为一种理想的生理监测工具。相比于传统的侵入式检测方法，如血液检测，汗液检测不仅减少了患者的不适感，还降低了感染风险，提高了检测的便捷性和安全性。此外，传感器的便携性和低成本也使其更易于大规模推广和使用，特别是在资源有限的地区或现场检测场景中。

本研究还强调了全有机材料在生物传感器领域的潜力。与传统的无机材料相比，有机材料如PEDOT:PSS和PPy:PSS具有更好的柔韧性和可加工性，能够适应不同形状和尺寸的检测设备需求。同时，它们的生物相容性也使得传感器在人体接触环境中更加安全。研究团队通过将这两种材料组合使用，不仅提升了传感器的性能，还为未来的生物传感器设计提供了新的方向。

值得注意的是，该研究的成果不仅局限于尿素检测，还为其他生物分子的检测提供了可借鉴的模式。通过调整分子印迹层的模板分子和聚合条件，可以构建针对不同目标分子的传感器，从而拓展其在医疗诊断、环境监测和食品安全等领域的应用。此外，光电化学技术的引入也使传感器具备更高的灵敏度和更低的检测限，这在某些微量生物分子的检测中尤为重要。

为了确保传感器的稳定性和可靠性，研究团队还对材料的长期性能进行了评估。实验结果表明，该传感器在多次使用后仍能保持良好的响应能力和重复性，这说明其在实际应用中具有较强的耐用性。同时，研究人员还探讨了不同环境因素（如温度、湿度）对传感器性能的影响，发现其在常规条件下表现稳定，适用于多种应用场景。

本研究的成果得益于研究团队在材料合成、传感器设计和性能优化方面的深入探索。通过结合分子印迹技术与光电化学原理，他们成功构建了一种结构简单、性能优异的全有机传感器，为无创检测技术的发展提供了重要的理论支持和技术手段。此外，该研究还强调了跨学科合作的重要性，例如在材料科学、生物化学和电化学等领域的协同创新，为未来的生物传感器研究奠定了坚实的基础。

研究团队还对实验过程中使用的化学试剂和材料进行了详细的描述。例如，EDOT（3,4-乙撑二氧噻吩）和PSS（聚苯乙烯磺酸）被用于合成光活性层，而尿素作为模板分子参与了分子印迹层的构建。其他试剂如抗坏血酸（AA）、乳酸（LA）等则用于模拟汗液中的干扰成分，以验证传感器的抗干扰能力。这些试剂的选择和使用不仅保证了实验的准确性，也为后续的传感器优化提供了依据。

在实验设计方面，研究人员采用了多种表征手段来验证传感器的性能。除了SEM外，他们还利用了其他分析技术，如傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS），以深入理解材料的化学结构和表面性质。这些技术的应用有助于揭示分子印迹层的形成机制，以及其对尿素分子的识别能力。同时，研究团队还对传感器的光电流响应进行了系统性的测试，以评估其在不同浓度下的检测性能。

此外，该研究还探讨了传感器在实际应用中的可行性。例如，研究人员对传感器的信号读取方式进行了优化，使其能够直接通过光电流进行检测，而无需复杂的电位调控。这一特性不仅简化了检测流程，还提高了检测的实时性和准确性。同时，传感器的“记忆效应”使其在重复使用过程中仍能保持较高的识别效率，为长期监测提供了保障。

总的来说，这项研究通过创新性的材料设计和结构优化，成功开发了一种全有机的光电化学分子印迹传感器，为尿素的无创检测提供了新的解决方案。该传感器不仅具有良好的选择性和灵敏度，还表现出优异的抗干扰能力和可重复性，为未来的生理监测技术发展奠定了坚实的基础。同时，研究团队的成果也为其他生物分子的检测提供了重要的参考，展示了全有机材料在生物传感器领域的广泛应用前景。