通过热冲击与淬灭调制增强EGFET适体传感器对环境水样中Cd2?的检测性能

《Microchemical Journal》：Thermal-shock-and-quench modulation of an EGFET aptasensor for enhanced Cd2+ detection in environmental water

　　

• •
  将热冲击与骤冷策略整合到了EGFET Cd²⁺适配体传感器中。
• •
  所提出的调制方法将灵敏度较室温条件下提高了约13,000倍。
• •
  在95 °C的冲击温度下实现了超灵敏检测限（LOD），达到2.13 × 10^?10 M。
• •
  信号增强归因于结合速率的加快以及骤冷辅助的滞留效应。
• •
  已在三种环境水基质中证实了实际适用性。

引言

镉（Cd²⁺）是一种高毒性重金属，通过采矿、电镀、电池制造、颜料生产和磷肥作业等途径进入水生系统 [1]、[2]。即使在微量暴露水平下，Cd²⁺也会对肾脏、肝脏、骨骼系统和呼吸系统造成严重损害，国际癌症研究机构（IARC）将镉及其化合物归类为第一类致癌物 [3]。世界卫生组织（WHO）规定饮用水中Cd²⁺的指导值为3 μg/L（约27 nM）[4]。

传统的分析方法，包括原子吸收光谱法（AAS）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS），虽然具有极高的灵敏度，但需要复杂的实验室基础设施、熟练的操作人员和大量的样品前处理，因此不适合直接用于快速现场监测 [4]、[5]。

因此，大量研究工作致力于基于剥离伏安法或化学修饰或纳米材料修饰电极上的安培检测的电化学Cd²⁺传感器。例如，双金属（Sn/Ce）修饰的激光诱导石墨烯电极已实现水中Cd²⁺的极低检测限 [6]。这些方法表明，极高灵敏度的电化学Cd²⁺检测是可以实现的，但它们通常依赖于剥离伏安法或安培法氧化还原化学、沉积/剥离电位和时间的精确控制，以及通常需要定制纳米材料或催化剂合成和电极修饰——这些基础设施和专业知识的要求，虽然与AAS/ICP-MS不同，但未必更低。场效应和适配体基平台则提供直接的、无标记的电学读出，无需氧化还原探针或剥离步骤，代价是上述更为复杂的表面（生物）化学处理。电化学传感器和FET基生物传感器由于具有无标记操作、微型化潜力和直接电学读出等优势，已成为AAS/ICP-MS的有前景的替代方案 [[7]、[8]]。但需要在此明确指出，完全适配体功能化的EGFET传感平台——如同与之对比的电化学和ISFET平台一样——仍然需要与其他无标记电极方法相当水平的表面化学处理（巯基固定、钝化和封闭）；本工作并不声称EGFET传感消除了这一基础设施需求，只是提出了一条不同的、便携的、直接电学读出的实现途径。扩展栅场效应晶体管（EGFET）架构在物理上将传感电极与晶体管本体隔离，在保持晶体管特性的同时将结合引起的界面电位变化高保真地转换为漏极电流响应 [9]。

与DNA适配体结合后，EGFET器件因适配体提供的分子选择性而在重金属传感方面变得极具吸引力。对于Cd²⁺检测，巯基化DNA适配体提供了简便的表面固定和序列特异性识别；在本研究中，使用了一种35-mer的Cd²⁺响应适配体作为识别元件。尽管具有这些优势，适配体基FET传感器在低浓度（pM–nM）下的Cd²⁺检测灵敏度往往受限，这主要是因为目标捕获受传感界面处动力学势垒和构象可及性的制约 [[10]、[11]]。一个相关的电双层（EDL）扩展栅FET适配体传感器，由合作实验室采用不同的适配体/电极设计开发，用于Cd²⁺检测，报道了室温下的LOD为0.094 nM [12]，表明经过精心设计的EDL-EGFET界面已能在无需任何热调制的情况下达到亚100 pM的灵敏度。电化学、光电化学、DNA基以及晶体管辅助生物传感的最新进展已展示了多种界面信号放大、电荷转移工程以及环境和水样基质分析检测策略 [[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]]；其中，Chen等人的自供电电化学重金属离子平台 [15] 与Cd²⁺类分析物检测最为直接相关，其余则展示了相邻传感领域中广泛适用的信号转导和界面工程策略。

FET生物传感器的温度调制同样并非新概念。我们课题组此前已证明，热调制可以显著增强FET传感器对Hg²⁺检测的性能，使用了适配体基平台 [21] 和分子筛基平台 [22]，将检测限提高了多达四个数量级，一种相关的脉冲温度策略此后也被报道用于Pb²⁺检测 [23]。我们坦率地说明：热调制本身并非在此首次引入。本研究提出的是一个更窄的、更具实验可验证性的问题：瞬态非平衡热脉冲——即短暂"冲击"后迅速"骤冷"至环境温度，而非持续恒温加热——是否能够改善Cd²⁺在EGFET适配体界面上的捕获，以及由此产生的信号增强能否在实验上与(i)裸电极（无适配体）的本征热漂移和(ii)对现实共存多离子背景的非特异性响应区分开来。

因此，本工作提出三项相互关联的、基于证据的贡献，而非单一灵敏度记录。首先，我们使用传感界面处的原位热电偶测量直接验证热冲击与骤冷过程本身，而非假设样品的预加热温度即为传感器实际经历的温度。其次，我们引入了适配体无修饰（裸Au）对照电极，在与室温及95 °C预热相同的方案下测试（无论是否含Cd²⁺），以判断所观测到的信号增强中是否有部分可归因于电极本身的热致基线漂移。第三，我们将选择性评估从单离子测试扩展到共存的六离子背景（Cr(VI)、Ti(IV)、Hg(II)、As(III)、Cu(II)、Pb(II)），更真实地反映了环境水样中的干扰条件。结合五个冲击温度的校准和三种真实水基质中的验证，这些实验使得所观测到的约13,000倍LOD改善能够被明确解读，清楚说明哪些已被直接证明，哪些尚未被直接证明。

章节摘要

试剂与材料

硝酸镉四水合物（Cd(NO?)?·4H?O）、硝酸铅（Pb(NO?)?）、硝酸汞（Hg(NO?)?）、硝酸铜（Cu(NO?)?）、铬酸钾（K?CrO?）、亚砷酸钠（NaAsO?）、硫酸氧钛(IV)（TiOSO?）和2-羧乙基三膦盐酸盐（TCEP）均购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。将10×磷酸盐缓冲液（PBS）储备液用去离子（DI）水稀释，配制0.01× PBS（用于适配体洗涤和荧光验证步骤）

热冲击与骤冷过程的物理解释

为在不赋予单一微观起源的情况下解释温度依赖性传感数据，我们采用了一种唯象框架，其中所测得的漏极电流响应由结合引起的界面扰动幅度以及该扰动被耦合的EGFET系统转换为电学输出的效率共同决定：ΔI_D ≈ G_eff(T) × ΔV_int(T)（2），其中ΔV_int(T)是与……相关的有效界面电位扰动

表面功能化验证

通过监测各个表面修饰阶段的荧光强度（全文以相对荧光单位（RFU）表示），确认了适配体在金电极上的成功固定（图1E）。裸Au电极的背景荧光为7.7 RFU。与巯基化、FAM标记的适配体孵育后，荧光显著增加至69.9 RFU（约为背景的9倍），与FAM标记适配体在Au上的成功固定一致

结论

我们展示了一种热冲击与骤冷调制的EGFET适配体传感器，用于Cd²⁺检测，并直接验证了四项结论，共同支撑其核心前提。首先，原位热电偶测量确认，注入预热的样品 aliquot 可产生真实的瞬态界面温度脉冲——而非持续的高温暴露——且峰值温度和持续时间与预加热条件成正比。其次，该热冲击与骤冷过程

CRediT作者贡献声明

洪圣春（Sheng-Chun Hung）：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查研究，经费获取，形式化分析，数据整理，概念构思。 吴语恩（Yu-En Wu）：验证，调查研究，形式化分析，数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本论文所报道工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

本研究由台湾科技部（MOST）资助，项目编号 113-2221-E-035-040-MY2，以及逢甲大学113学年研究跃进计划（项目编号 24H00811）。本研究使用的仪器设备由台湾STARX部分提供。

洪圣春|吴语恩