基于3D打印材料的便携式电化学发光检测系统与手机传感技术研究

为解决便携式、低成本分析检测需求，研究人员开发了基于3D打印基底的电化学发光(ECL)传感器系统。通过评估四种3D打印塑料基底性能，结合手机光学检测和USB电源驱动，实现了对生物胺类物质（如亚精胺）的高灵敏度检测（LOD=130 μM），为现场快速检测提供了创新解决方案。

　　

研究背景与意义

在食品安全监测和临床诊断领域，生物胺的快速检测一直面临设备笨重、成本高昂的挑战。传统电化学发光(ECL)检测系统依赖精密仪器，而3D打印技术的兴起为分析化学实验室带来了革命性机遇。美国克瑞顿大学的研究团队敏锐捕捉到这一交叉领域的潜力，将3D打印材料创新性应用于传感器基底和检测装置构建，开发出首个结合手机摄像头的便携式ECL系统。

关键技术方法

研究采用熔融沉积建模(FDM)和立体光刻(SLA)技术打印四种塑料基底，通过模板印刷法制备碳墨水电极(SPCE)。以三(2,2'-联吡啶)钌(II)[Ru(bpy)₃²⁺]为发光体，2-(二丁氨基)乙醇(DBAE)为共反应物，优化ECL检测条件。自主研发的光密闭 housing 集成iPhone摄像头，配合USB电源实现便携检测。

主要研究结果

3.1 电极电化学表征

循环伏安法显示所有基底上的SPCE均呈现扩散控制的氧化还原行为。聚乳酸(PLA)和丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯(ASA)基底电极的电流响应和可逆性最佳，与透明胶片基底相当，半波电位稳定在0.94-0.96 V vs Ag。

3.2 ECL性能优化

第六代光密闭 housing 可完全消除环境光干扰。四种基底的DBAE检测限(LOD)为3-4 μM，其中PLA基底因成本优势和回收便利性被选为最佳材料。使用USB电源需1.45-1.60 V过电位，对亚精胺的LOD达130 μM（44 ppm），显著低于其口服毒性阈值。

3.3 成本效益分析

FDM打印电极成本仅0.1美元/个，整套系统体积小巧（见图S6），适合大规模推广。

研究结论与展望

Patrick J. Herchenbach团队成功将3D打印技术与ECL检测相结合，创建了首个完全便携的生物胺检测系统。该研究突破性地解决了传统ECL设备体积庞大、操作复杂的痛点，为食品安全现场检测和资源有限地区的医疗诊断提供了新思路。未来通过优化手机图像算法和开发多通道检测 housing ，有望实现更灵敏的多组分同步分析。论文发表于《Talanta Open》，为分析化学的平民化发展树立了新标杆。