基于TiS3光催化界面的手持式无酶光电化学延伸栅场效应晶体管用于尿素检测：人工唾液与预处理人唾液中的性能评估

《Sensors and Actuators Reports》：Handheld Enzyme-Free Photoelectrochemical Extended-Gate Field-Effect Transistor with a TiS 3 Photocatalytic Interface for Urea Detection: Evaluation in Artificial and Pretreated Human Saliva

　　

尿素是蛋白质代谢的主要终产物，也是肾功能的关键生物标志物。本研究报道了一种基于TiS3的手持式无酶光电化学-延伸栅场效应晶体管（PEC-EGFET）传感器，用于非侵入性尿素检测。该TiS3修饰的延伸栅极作为光活性催化界面，在光照下产生依赖于尿素的电位变化；该电位通过电容耦合至金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）栅极，并被转换为放大的漏极电流（ID）响应。通过将光电化学信号生成与晶体管增益相结合，该平台实现了紧凑的电池供电读出电子器件，同时在生理相关范围内保持灵敏度。该传感器在1 μM至100 mM的宽线性范围内表现出优异性能，检出限为0.5 μM。选择性测试和加标回收实验在人工唾液和经脲酶预处理的真实人唾液中均得到了验证。此外，研究人员开发了一个定制的便携式无线平台，集成了基于ESP32微控制器的信号调理电路、发光二极管（LED）光源和液晶显示器（LCD）屏幕，实现了智能手机辅助读出的手持式操作。这项工作为开发紧凑型、快速且无酶的唾液尿素传感平台提供了概念验证证据，在人类和兽医护理中的便捷肾脏健康监测方面具有潜在应用价值。

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一、研究背景与科学问题

尿素是蛋白质代谢的主要终产物，其浓度水平是评估肾功能的核心指标。人体血液尿素正常范围约为2.5–6.7 mM，浓度升高通常与肾损伤、脱水或消化道出血相关，而异常低值则可能反映肝功能不全或营养不良。在兽医学领域，慢性肾病（CKD）尤其常见于老年猫科动物，持续的尿毒症是导致患病率和死亡率升高的主要原因。尽管早期检测和纵向监测有助于改善临床决策和预后，但目前筛查仍依赖周期性采血和实验室检测。许多宠物主人因成本、动物应激以及认为宠物外表健康无需检测的误解而放弃检测。此外，传统静脉穿刺本身会引发猫犬患者的急性应激反应，激活交感神经系统和下丘脑-垂体-肾上腺轴，导致血压短暂升高、糖代谢改变等生理波动，从而影响循环生物标志物水平的测量可靠性。因此，唾液等非侵入性体液成为理想的替代采样方式，可实现无应激采集并最小化应激引起的生理伪影。

现有尿素检测方法如红外光谱、高效液相色谱和酶法分析仪虽然准确性高，但仪器复杂、样品制备繁琐、周转时间长，不适用于频繁的家庭筛查。电化学生物传感器尤其是基于脲酶的传感器虽具优势，但酶的固有稳定性问题——如重金属离子抑制、热变性、需冷链储存和运输——严重限制了其长期可靠性和实际部署。这促使研究人员开发无酶替代方案，其中光电化学（PEC）传感利用光照在光活性界面产生载流子，驱动或调制分析物的电化学检测，可提高灵敏度并避免生物试剂的引入。然而，多数PEC系统仍需外部光源和传统电化学工作站，便携性受限。

场效应晶体管（FET）因其对栅极电压变化的高增益放大特性，为构建紧凑型读出架构提供了理想途径。延伸栅FET（EGFET）配置将MOSFET栅极与外部的溶液接触感应电极电气连接，使界面电位变化传输至栅极并调制沟道电流，同时隔离晶体管与液体环境，兼具高输入阻抗和本征放大能力。在光敏材料方面，层状过渡金属三硫属化物（TMTC）中的TiS₃因其窄带隙（约1.0–1.1 eV）、宽带可见-近红外吸收、优异的光响应性和化学稳定性，以及在多层形态下仍保持良好光电性能的特性，成为理想的光活性材料。

基于上述背景，本研究旨在开发一种手持式、无酶的TiS₃基PEC-EGFET传感器，用于非侵入性唾液尿素检测，解决现有方法在便携性、稳定性和操作简便性方面的不足。

二、研究内容与结论

研究人员成功构建了集成TiS₃纳米带修饰延伸栅极的手持式PEC-EGFET传感平台，实现了对人工唾液和预处理人唾液中尿素的高灵敏、选择性检测。该传感器在1 μM至100 mM的宽线性范围内工作，检出限低至0.5 μM，且在复杂生物基质中表现出良好的加标回收率。研究表明，光照明显著增强了传感器的响应幅度，证实了光电化学机制的有效性。所开发的便携式无线平台集成了基于ESP32微控制器的信号调理电路、LED光源和LCD显示屏，支持智能手机辅助读出的手持操作。这项工作为非侵入性、便捷的肾功能监测提供了可行的技术路径，在人类和兽医护理领域具有重要应用前景。

三、主要关键技术方法

1. 1.
   材料合成与表征：采用化学气相输运（CVT）法合成了TiS₃纳米带，随后通过液相剥离和滴涂工艺将其修饰于丝网印刷金电极（SPAuE）的工作电极表面，形成光活性延伸栅极。利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、拉曼光谱和近红外吸收光谱对材料形貌、组成和光学带隙进行了系统表征。
2. 2.
   便携式EGFET器件设计与表征：基于定制印刷电路板（PCB）开发了便携式传感设备，集成四种商用MOSFET（CD4007UBM96-PMOS/NMOS、AO3401A PMOS、AO3400A NMOS）。采用ESP32-WROOM-32微控制器提供偏置电压，24位AD7793 Σ-Δ模数转换器（ADC）读取负载电阻电压并转换为漏极电流（I_D）。丝网印刷金电极的参比电极被涂覆Ag/AgCl浆料形成片上参比电极。设备还集成了2.2英寸QVGA TFT LCD用于结果可视化。
3. 3.
   光电响应与尿素传感测量：在磷酸盐缓冲液（PBS）和人工唾液（a-saliva）中进行尿素检测。采用特定电压扫描协议（V_SR从0 V到0.9 V再返回）以最小化漂移和迟滞，获取稳定的I_D-V_SR曲线。通过比较基线状态与尿素暴露状态的电流差异评估灵敏度。对于真实唾液测试，收集新鲜人唾液后加入脲酶水解内源性尿素，经离心过滤去除脲酶并调节pH至7.4，再用1X PBS稀释后进行加标回收实验。

四、研究结果

3.1 结构表征：SEM图像显示CVT合成的TiS₃呈高长径比的纳米带状形貌，长度达数微米。液相剥离并成膜后形成致密的纳米带网络，提供大的有效表面积和连续的面内电荷传输通道。EDS谱图显示S:Ti原子比接近3:1，氧含量极低，表明形成了近化学计量比的TiS₃且表面氧化有限。拉曼光谱在约172、297、366和554 cm^-1处呈现特征性的A_g型振动模式，证实了高结晶度和相纯度。近红外吸收光谱及Tauc图估算光学带隙约为0.98 eV。

3.2 光电化学行为与材料筛选：在相同条件下比较了WS₂、WSe₂和TiS₃三种纳米材料修饰EGFET的光电响应。TiS₃展现出最高的光响应度，在200 mW白光LED照射下产生显著的I_D变化，归因于其窄带隙和高效的载流子分离能力。光照/暗态循环测试表明TiS₃基器件具有良好的可逆性和稳定性。

3.3 尿素传感性能：在PBS中，TiS₃基PEC-EGFET在1 μM至100 mM浓度范围内呈现良好的线性响应，检出限为0.5 μM。光照条件下的响应幅度显著高于暗态条件，证实了光电化学增强机制。在人工唾液中，传感器同样表现出优异的灵敏度和线性度。选择性测试显示，传感器对尿素具有特异性响应，而对其他常见干扰物质（如葡萄糖、Na⁺、K⁺、Ca²⁺等）无明显交叉反应。

3.4 真实唾液中的加标回收：在经脲酶预处理的人唾液（UT-saliva）中分别加标1 mM和10 mM尿素，采用优化后的PEC-EGFET进行检测。结果显示，两个浓度的加标回收率均在合理范围内，证明该传感器在复杂生物基质中具有可靠的定量能力。

五、讨论与结论

本研究成功展示了一种基于TiS₃纳米带的手持式无酶PEC-EGFET传感器用于唾液尿素检测。通过将光电化学信号生成与EGFET的高增益放大特性相结合，该平台在保持灵敏度的同时实现了紧凑、电池供电的便携设计。传感器在1 μM至100 mM的宽动态范围内表现出优异的线性响应和0.5 μM的低检出限，且在人工唾液和预处理人唾液中均验证了选择性和加标回收性能。延伸栅极架构允许感应电极与晶体管物理分离，提高了鲁棒性并支持一次性更换化学活性界面。集成的便携式无线平台进一步提升了现场检测的便利性。

研究结论：这项工作为开发紧凑、快速且无酶的唾液尿素传感平台提供了概念验证证据，在人类和兽医护理中的便捷肾脏健康监测方面具有潜在应用价值。