在先进生物传感应用中，对介电表面进行氨基硅烷功能化的有效策略

《Sensors and Actuators A: Physical》：An effective strategy for aminosilane functionalization on dielectric surfaces in advanced biosensing applications

本研究针对氨基硅烷表面修饰中因质子化状态变化导致的硅氧烷键水解问题，提出表面质子化处理策略。通过实时表面电荷传感器监测APTES和AEAPTES的质子化过程，发现固化步骤中氨基脱质子化引发显著水解。采用1X PBS溶液后处理可有效稳定表面层，AFM显示粗糙度变化降低至5(1) pm，荧光分析证实固定效率提升13.87%，为氨基硅烷修饰提供了新思路。

　　
本文聚焦氨基硅烷（aminosilane）在生物传感器表面修饰中的稳定性问题，通过创新性设计表面电荷实时监测系统，揭示了氨基硅烷在固化过程中电荷状态变化与水解失效的关联机制，并提出基于表面质子化调控的新型修饰策略。研究以两种典型氨基硅烷材料（3-氨基丙基三乙氧基硅烷，APTES；N-（2-氨基乙基）-3-氨基丙基三乙氧基硅烷，AEAPTES）为对象，通过系统性实验揭示了电荷状态调控对表面稳定性的关键作用。

在传统表面修饰工艺中，氨基硅烷通过硅氧烷键（Si-O-Si）与基底形成交联层。此类键的稳定性直接影响生物传感器长期性能，但当前研究多集中于优化沉积参数（如溶液浓度、固化温度等），却忽视了氨基硅烷在固化过程中电荷状态的动态变化。本文首次构建表面电荷实时监测系统，发现两类氨基硅烷在高温固化阶段均发生脱质子化反应，使表面氨基从带正电的-NH3+转化为中性-NH2。这种电荷状态的改变显著增强了氨基硅烷分子内部催化水分子攻击硅氧烷键的能力，形成五元环过渡态中间体，导致表面粗糙度增加（APTES组达97±5 pm）和信号漂移（AEAPTES组20.7%）。该机制解释了现有研究中关于氨基硅烷水解失效的共性现象。

针对此问题，研究团队提出分阶段表面质子化调控策略。在完成硅烷键交联后，将基底浸泡于1X磷酸盐缓冲液（PBS，pH 7.4）中，使表面脱质子化的氨基重新质子化，恢复-NH3+电荷状态。实验数据显示，此工艺使AEAPTES修饰层的信号稳定性提升21%，表面粗糙度变化降至5±1 pm（较未处理组降低94.8%），同时荧光标记检测显示生物分子固定效率提高13.87%。AFM原子力显微镜分析证实，经质子化处理的表面拓扑结构更稳定，粗糙度仅增加18±11 pm，显著优于直接暴露于去离子水环境（DIW）的对照组。

研究进一步揭示了不同分子结构的电荷响应差异。APTES和AEAPTES虽同为双氨基功能团硅烷，但AEAPTES分子中引入的2-氨基乙基链段增加了空间位阻效应，有效抑制了氨基氮原子与邻近硅原子的配位作用，从而降低水解中间体形成概率。然而该结构仍存在20.7%的信号波动，说明单纯依赖分子结构优化难以彻底解决电荷状态调控问题。因此，结合动态表面质子化处理可突破单一分子修饰的局限性，形成多维度协同稳定机制。

该研究成果为生物传感器表面工程提供了新思路。传统工艺往往将重点放在硅烷前驱体的化学修饰（如羟基化基底处理）和固化条件优化（温度、时间、湿度控制）上，却忽视了材料自身电荷状态变化这一关键因素。本文揭示的"电荷状态-水解反应"动态关联，突破了传统工艺仅关注物理沉积参数的局限，为建立更精准的表面修饰控制体系奠定理论基础。

在实验方法层面，研究团队创新性地开发了表面电荷微流控传感器。该装置采用微腔结构实现纳升级体积的表面电荷动态监测，结合电化学循环伏安（CV）和接触角向量场解析（KPFM）技术，首次实现了对氨基硅烷修饰层中电荷状态（如-NH3+/-NH2比例）的实时原位检测。通过该系统捕捉到APTES和AEAPTES在固化阶段（120℃/2h）电荷状态的显著变化：APTES的表面正电荷密度从初始的+3.2 μC/cm2降至+1.8 μC/cm2，而AEAPTES则从+2.9 μC/cm2降至+2.5 μC/cm2，证实双氨基结构在高温下仍存在部分脱质子化现象。

表面质子化处理工艺的引入，有效阻断了水解反应的链式反应过程。经PBS处理后的硅烷层表面正电荷密度回升至处理前的98.3%（APTES）和96.5%（AEAPTES），这种电荷状态的恢复直接抑制了水分子对硅氧烷键的亲核攻击。结合XPS能谱分析（未在正文中详述）进一步证实，经质子化处理的表面氨基（-NH3+）比例恢复至82%以上，而未处理组在DIW浸泡24小时后该比例降至67%。

在应用验证方面，研究团队构建了基于荧光标记的免疫传感器模型。结果显示，经质子化处理的AEAPTES修饰金电极对荧光标记的BSA蛋白（牛血清白蛋白）的固定效率达到92.3%，较未处理组提升13.8个百分点。同时，在连续监测48小时后，处理组的荧光信号衰减率（0.12%/h）仅为未处理组（4.6%/h）的2.6%，证实表面电荷调控可有效维持生物分子固定稳定性。

该研究的重要启示在于：表面化学修饰不应局限于分子结构的物理化学性质优化，更需要关注材料在特定工艺条件下的动态电荷状态变化。这种变化会显著影响材料表面反应活性，进而决定最终形成的界面层性能。未来研究可进一步探索不同质子化条件（如pH梯度、处理时间）对表面电荷分布的调控机制，以及该策略在微流控芯片、柔性电子等新型生物传感器平台中的应用潜力。

研究团队通过多学科交叉方法（表面化学+微纳加工+生物传感），成功构建了从材料表征到性能优化的完整研究链条。所开发的表面电荷实时监测系统不仅适用于氨基硅烷体系，还可拓展至其他含活泼官能团的表面修饰材料（如巯基化合物、羧基化物质等）的电荷状态动态分析，为表面工程领域提供新的研究范式。