液态金属原位引发制备半互穿网络水凝胶构建低污染电化学传感界面

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.220165

摘要/Abstract

摘要：

复杂组分在传感界面的非特异性吸附会严重影响传感器的灵敏度与准确度。虽然构建致密的亲水性抗污涂层能够抑制表面非特异性吸附，但是其绝缘性又会显著增大传感界面阻抗，严重削弱响应电流。因此，如何兼顾传感界面抗污性与导电性，构建灵敏的传感基底是电化学免疫传感器目前急需解决的关键问题。为此，利用镓化铟液态金属（Liquid Metal， LM）原位引发乙烯基吡咯烷酮（N-vinylprrolidone， NVP）聚合，同时利用壳聚糖（Chitosan， CS）与聚乙烯基吡咯烷酮（poly（N-vinylprrolidone）， pNVP）之间强烈的氢键结合作用，再分步交联成功获得一种半互穿网络水凝胶传感界面，并以此构建电化学免疫传感器。研究表明，所构建的传感器能够对胃动素实现灵敏检测，线性范围为10 pg/mL~10 μg/mL，检测限为6.91 pg/mL（S/N=3），并且在5%的血清样品中检测结果不受影响。此外，所构建的免疫传感器也显示出优异的重复性、稳定性和选择性。以上结果成功证明了基于液态金属纳米复合凝胶作为电化学传感基底的可行性，也为其它电化学免疫传感器的构建提供重要的借鉴意义。

关键词: 液态金属, 导电凝胶, 抗污, 电化学免疫传感

Abstract:

Any materials present in complex samples that bind the sensing interface non-specifically will greatly decrease the sensitivity and accuracy of the electrochemical sensor. Traditional antifouling coatings could hinder the electron transfer， resulting in a double-edged strategy. Here， we create a semi-interpenetrated nanocomposite hydrogel， consisting of a liquid metal （LM） conductive core， an antifouling poly（vinyl pyrrolidone）（pNVP） network covalently grafting from it and homogeneously distributed chitosan around the pNVP chain， with excellent antifouling property while maintaining high conductivity. Remarkably， we further propose a polymerization-crosslinking separation strategy， thus facilitating the hydrogel sensing matrix with good processibility， accompanying repeatability and excellent stability. Finally， a label-free electrochemical immunosensor based on the proposed hydrogel-based sensing interface is successfully fabricated， and it possesses excellent repeatability， storage stability， selectivity， a wide linear range from 10 pg/mL~10 μg/mL， and an ultralow detection limit of 6.91 pg/mL for the detection of motilin. Moreover， no change is observed even in the presence of 5% serum. The above results successfully proved the feasibility of using liquid metal nanocomposite hydrogel as electrochemical sensing base， and also provides important reference for the construction of other electrochemical immunosensor.

Key words: Liquid metal, Conductive hydrogel, Antifouling, Electrochemical immunosensor

中图分类号:

O657

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图/表 8

图1 （A） LM-pNVP/CS半互穿网络水凝胶的制备；（B）电化学免疫传感器构建示意图

Fig.1 （A） Preparation of LM-pNVP/CS semi-interpenetrated network hydrogel；（B） Schematic diagram of electrochemical immunosensor construction

图2 （A） APS-pNVP 和LM-pNVP的CV图；（B） APS-pNVP和LM-pNVP的EIS图；（C） LM-pNVP的SEM图；（D）具有不同组成的复合水凝胶的FT-IR光谱

Fig.2 （A） CV curves of APS-pNVP and LM-pNVP；（B） EIS curves of APS-pNVP and LM-pNVP；（C） SEM image of LM- pNVP；（D） FT-IR spectra of composite hydrogels with different compositions

表1 不同复合凝胶的配比

Table 1 The content of different composite gels

样品 Sample	LM浓度 c（LM）/（mol·L^-1）	NVP浓度 c（NVP）/（mol·L^-1）	PEGDMA浓度 c（PEGDMA）/ （mol·L^-1）	CS质量浓度 ρ（CS）/（mg·mL^-1）	APS浓度 c（APS）/（mol·L^-1）
LM?pNVP/CS₁	0.09	1.8	0.12	2	0
LM?pNVP/CS₂	0.12	1.8	0.12	2	0
LM?pNVP/CS₃	0.18	1.8	0.12	2	0
LM?pNVP/CS₄	0.12	1.8	0.09	2	0
LM?pNVP/CS₅	0.12	1.8	0.18	2	0
LM?pNVP	0.12	1.8	0.12	0	0
APS?pNVP	0	1.8	0.12	0	0.12

图3 （A）不同配比的LM-pNVP CS x 半互穿网络凝胶的SEM图（x=1，2，3，4，5）；不同配比的LM-pNVP/CS x 半互穿网络凝胶的CV（B），EIS（C）图（x=1，2，3）；不同配比的LM-pNVP/CS x 半互穿网络凝胶的CV（D），EIS（E）图（x=4，2，5）

Fig.3 （A） SEM images of LM-pNVP/CS x semi-interpenetrated network gels with different ratios （x=1， 2， 3， 4， 5）； CV （B） and EIS （C） images of LM-pNVP/CS x semi-interpenetrated network gel with different proportions （x=1， 2， 3）； CV （D） and EIS （E） images of LM-pNVP/CS x semi-interpenetrated network gel with different proportions （x=4， 2， 5）

图4 （A）电化学免疫传感器制备流程的的CV图；（B）LM-pNVP/CS2/GCE在不同储存时间的电流；（C）电化学免疫传感器分别对：空白溶液，胃动素（10 ng/mL），浓度均为100 ng/mL 的BSA、Lys、Fib以及10 ng/mL 的胃动素的混合液，BSA（100 ng/mL）、Lys（100 ng/mL）和Fib（100 ng/mL）的电化学响应（误差棒代表3次重复测定的标准偏差）

Fig.4 （A） CV images of electrochemical immunosensor fabrication process；（B） Currents of LM-pNVP/CS2/GCE at different storage times；（C） Electrochemical immunosensor for： Blank solution， motilin （10 ng/mL）， 100 ng/mL of BSA， Lys， Fib and 10 ng/mL motilin mixture（Mix）， BSA （100 ng/mL）， Lys （100 ng/mL）， Fib （100 ng/mL） electrochemical response （The error bar represents the standard deviation of three repeated determinations）

图5 裸GCE和LM-pNVP/CS2/GCE在不同浓度的BSA（A）、Fib（B）和山羊血清（C）溶液中的抗污性能ΔI= I0-I， I0和I代表在污染物孵育30 min前后的CV信号。误差棒代表3次重复测定的标准偏差

Fig.5 Antifouling properties of naked GCE and LM-pNVP/CS2/GCE in different concentrations of BSA （A）， Fib （B） and goat serum with different volume fraction solutions （C）ΔI = I-I0， I0 and I represent CV signals before and after 30 min of pollutant incubation. The error bar represents the standard deviation of three repeated determinations

图6 （A）免疫传感器对不同浓度胃动素的SWV响应；（B）免疫传感器对不同浓度胃动素的相应动态响应范围和校准曲线；（C）免疫传感器在在5%（体积分数）山羊血清溶液的校准曲线；（D）免疫传感器在在10%（体积分数）山羊血清溶液的校准曲线（误差条代表3次重复测定的标准偏差）

Fig.6 （A） SWV response of immunosensor to different concentrations of motilin；（B） corresponding dynamic response range and calibration curve of immunosensor to different concentrations of motilin；（C） Calibration curve of immunosensor in 5% （volume fraction） goat serum solution；（D） Calibration curve of the immunosensor in 10% （volume fraction） goat serum solution （The error bar represents the standard deviation of three repeated determinations）

表2 10%山羊血清中胃动素分析的回收率（n=3）

Table 2 The recovery for motilin analysis in 10% goat serum （n=3）

样品编号 Sample No.	胃动素加标量 Motilin added/（ng·mL^-1）	检测值 Found/（ng·mL^-1）	回收率 Recovery/%	相对标准偏差 RSD/%
1	0.1	0.933 2	93.3	3.8
2	1	0.957	95.7	3.1
3	10	10.69	106.9	4.5
4	100	94.67	94.7	4.3
5	1 000	976.23	97.6	3.6
6	10 000	10 415.12	104.2	3.7

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