基于PEDOT:PSS/V与2C水凝胶协同作用的导电抗污电化学微流控传感器，用于复杂环境中的病原体检测

《Microchemical Journal》：Conductive anti-fouling electrochemical microfluidic sensor enabled by synergistic PEDOT:PSS/V 2C hydrogel for pathogen detection in complex matrices

　　

• •
  这种新型传感界面将具有抗污性的PEDOT:PSS水凝胶与高导电性的V₂C MXene纳米片相结合。
• •
  其出色的抗生物污染性能使得在100%胎牛血清环境中仍能保持92.1%的初始电化学响应强度。
• •
  该传感器具备优异的分析能力，检测范围可达10到10¹⁰?CFU?mL^?1，且最低检测限低至8?CFU?mL^?1。
• •
  在实际应用中，该传感器可在复杂的航空燃料环境中有效实现实时监测。

引言

在食品、环境水体以及工业流体等复杂的实际样品中，快速、原位且定量地检测致病细菌对于保障公共安全及推动工业发展具有重要意义[1]、[2]、[3]。尽管细胞培养和聚合酶链反应（PCR）[5]、[6]等传统方法具有较高的准确性，但由于检测周期长、操作要求严格且依赖复杂设备，因此并不适合用于即时检测（POCT）[7]。相比之下，电化学检测作为一种理想的替代方案，凭借其快速响应、高灵敏度、便携性强以及易于操作等优点而备受关注，它可以通过检测微生物代谢或特定免疫反应产生的电信号来实现检测功能[8]、[9]、[10]、[11]。然而，要将这些电化学检测系统从理想的缓冲溶液环境应用到实际场景中，却面临着一个普遍存在的分析难题——界面生物污染。原始样品中的蛋白质和大分子等复杂成分容易在裸露的电极表面沉积，这不仅会遮蔽特定的识别位点，还会严重阻碍界面处的电子转移，从而导致信号显著衰减以及信噪比下降[12]、[13]、[14]、[15]。因此，设计出能够同时具备强大抗生物污染功能和高信号传输效率的先进电化学界面，对于在复杂介质中实现可靠的微生物检测至关重要。

为了解决生物污染问题，传统方法通常采用亲水性聚合物，如聚乙二醇，或是两性离子材料来修饰电极[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。虽然这些绝缘层可以通过空间阻隔效应以及水合层的形成有效阻止蛋白质吸附，但它们的非导电特性又会为界面电子转移带来较大的能量障碍[21]。这样一来，虽然能够减轻生物污染问题，却往往要以牺牲分析灵敏度为代价。因此，目前亟需开发一种具有导电性的抗污染机制，即一种既能有效阻挡非目标生物成分的附着，又能保持甚至增强电化学信号传输能力的先进传感界面[22]、[23]、[24]、[25]。为了满足这些严格的要求，将具有形成水合层功能的柔软基质与高导电性、结构稳定的纳米材料相结合，构建出一种协同作用的架构，被视为一项极具前景的解决方案[26]。

本文介绍了一种新型的电化学微流控即时检测（POCT）传感器，该传感器以经过精心设计的聚(3,4-乙炔二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐)/V₂C（PEDOT:PSS/V₂C）水凝胶复合材料作为传感界面，可用于快速且可靠地检测大肠杆菌（Scheme 1）。按照我们的设计思路，PEDOT:PSS聚合物网络中含有大量的亲水性磺酸基团，能够形成密集的水合层，从而具备出色的热力学抗污染能力。与此同时，引入高导电性的V₂C MXene纳米片，不仅可以弥补纯聚合物表面活性区域的不足，还能建立高效的三维电子传输路径，并产生协同的空间阻隔效应。通过将这种强大的导电抗污染界面与微流控结构完美结合，该传感器成功实现了先进的界面化学技术与实用型POCT应用之间的衔接。微流控技术的应用不仅大幅减少了样本消耗量，还创造了封闭的微环境，从而加速了目标物质的结合过程，实现了快速的自动化样本处理。得益于这种协同的信号放大效应以及强大的抗生物污染机制，该传感器达到了8?CFU·mL^?1的极低检测限，且检测范围极为宽广，涵盖了10个数量级（10到10¹⁰?CFU·mL^?1）。此外，这种微流控传感器还在复杂的航空燃料样本中成功实现了对大肠杆菌的高精度检测，充分展现了其在复杂实际环境中进行快速微生物筛查方面的巨大潜力。

章节要点

材料

二甲基亚砜（DMSO）购自郑州艾克姆化工有限公司；氢氧化钠（NaOH）购自天津金东天正精细化工试剂厂；氯化钾（KCl）购自阿拉丁科技有限公司；聚(3,4-乙炔二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）购自上海麦克林生化科技有限公司。三氰化铁钾（K₃[Fe(CN)₆]）和氰化亚铁钾（K₄[Fe(CN)₆]）则购自北京某公司。

PEDOT:PSS/V₂C复合材料的结构与形态验证

多层结构的V₂C MXene是通过选择性蚀刻V₂AlC MAX相中的铝层而制备的。这种酸性处理方式不仅使得材料呈现出典型的手风琴状层状结构（图1a），同时还使MXene表面富含各种端基（-OH、O以及F），从而使材料具有极高的亲水性，能够在水相中稳定存在。透射电子显微镜（TEM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）分析结果也证实了这一结论。

结论

总之，本研究通过合理的界面工程设计，成功开发出一种基于PEDOT:PSS/V₂C导电水凝胶复合材料的先进电化学微流控即时检测（POCT）传感器，有效解决了复杂样品中电极生物污染与分析灵敏度之间的矛盾。通过将PEDOT:PSS聚合物网络强大的水合能力与这种高导电性且具有独特拓扑结构的材料相结合，

作者贡献说明

连美玲：论文撰写——审稿与编辑、论文撰写——初稿撰写、项目管理、方法设计、资金获取、概念构思。 王浩权：论文撰写——初稿撰写、实验研究、数据分析、概念构思。 石飞宇：方法设计、实验研究、概念构思。 杨琪：资金获取工作。 裴琳琳：资金获取工作。 陈达：课题指导。

资助情况

本项研究得到了中国国家自然科学基金（编号：52302335）的支持，同时还有中国民用航空大学提供的资助（编号：3122024PT21），以及天津市自然科学基金的联合资助（编号：25JCLMJC00780）和中央高校基本科研业务费的资助（编号：3122025050）。

利益冲突声明

所有作者均声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联关系。

连美玲|王浩权|石飞宇|杨琪|裴琳琳|陈达