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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

李德, 王楠, 杨华伟, 马姣

应用化学 2022, 39 (9): 1464-1474. DOI:10.19894/j.issn.1000-0518.220165

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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。

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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表2 10%山羊血清中胃动素分析的回收率（ n=3）

正文中引用本图/表的段落

首先，用0.05 μm的Al ₂O ₃粉末对GCE进行抛光，而后依次用HNO ₃（1∶1）、去离子水、无水乙醇各超声30 s之后用洗耳球吹干。然后，将10 μL溶液A和10 μL溶液B依次滴加到GCE表面静置以形成凝胶涂层。用去离子水浸泡清洗后，将凝胶包覆的GCE浸入2.5%的GA溶液中1 h，使得GA与水凝胶中的CS充分反应。接下来将10 μL胃动素抗体溶液（50 μg/mL）滴在电极表面并培养1 h，然后用PBS冲洗3次，再滴加10 μL BSA溶液（10 mg/mL）封闭电极上的非活性位点。最后，用PBS充分清洗，即得到免疫传感器。

凝胶导电性是影响最终检测性能的关键因素之一。在此，首先对APS与LM两种引发方式制备的pNVP聚合物凝胶的导电性进行了测试。如图2A所示，在CV测试中，热引发剂APS引发的pNVP凝胶的氧化峰值电流仅为36 μA，而采用LM引发形成的pNVP凝胶氧化峰值电流达111 μA。EIS图（图2B）也表现出相同的趋势，采用液态金属引发的凝胶修饰电极电子转移电阻（Charge transfer resistance， R _ct）仅为590 Ω，而采用APS作为引发剂制备的凝胶 R _ct则高达3460 Ω。这一结果表明，复合液态金属确实能显著提高凝胶的导电性，从而满足电化学的要求。此外，采用SEM进一步观察了LM-pNVP凝胶的微观形貌。从图2C中可以清晰的看到LM-pNVP凝胶网络骨架呈明显的三维孔状结构，而且在进一步放大后可以观察到，骨架表面细密，呈褶皱状，同时LM以纳米颗粒形式分散，且其表面全部被聚合物包裹，以上结果证明液态金属在超声作用下能够成功分散成纳米颗粒，同时原位引发乙烯基吡咯烷酮聚合。

为了进一步明确凝胶的化学组成，利用红外光谱对LM-pNVP、CS和LM-pNVP/CS的官能团进行表征（图2D）。如图2D所示，在LM-pNVP谱图中，在1728 cm-1处有明显的羰基C===O吸收峰，证明有PEGDMA存在。在1671 cm-1处较强的吸收峰归属于pNVP叔酰胺C===O键的伸缩振动， 1427 cm-1处是pNVP亚甲基剪式弯曲振动引起的吸收峰，同时在1280 cm-1处出现了酰胺的特征谱带，主要是由吡咯烷酮环中C—N键伸缩振动与N—H弯曲振动相互作用形成［22］。综上所述，证明LM-pNVP凝胶成功合成。

首先，对不同配比样品的形貌进行了SEM表征（图3A）。与LM-pNVP凝胶相比（图2C）， LM-pNVP/CS ₁凝胶的骨架表面褶皱消失，变得更加平整，这可能是由于壳聚糖分子链的刚性所导致；随着LM浓度的增加， LM-pNVP/CS ₂凝胶网络更加致密，孔径明显变小；但是当LM继续增加时， LM-pNVP/CS ₃凝胶网络结构反而孔数量减小，孔径增大。这可能是由于LM在此作为引发剂，当其用量较低时，聚合反应进行缓慢，不能使聚合物形成有效的网络结构，因此孔洞较大；当其浓度过高时，聚合反应速度增加更为明显，接枝量增大，体系中分子链密度增加，导致堆积紧密，水分子很难进入，致使凝胶孔洞反而增大。

基于上述SEM表征以及电化学实验，可以发现LM-pNVP/CS ₂凝胶网络孔洞密集，且分布均匀，这样的结构能够为电荷转移提供连续的三维路径以及有利于更多的活性位点附着。同时， LM-pNVP/CS ₂凝胶的电化学性能最好，因此接下来选择LM-pNVP/CS ₂半互穿网络凝胶来修饰电极，制备电化学免疫传感器。

在此基础上，进一步考察了所构建的免疫传感器在真实血清样本中的准确性，分别在5%和10%（体积分数）山羊血清溶液中加入不同浓度的胃动素，然后用制备的免疫传感器进行测量。结果如6C所示，在5%山羊血清中，传感器的检测性能未发生明显变化，响应范围为10 pg/mL~10 μg/mL，相关系数为0.995，检出限为8.31 pg/mL（ S/N=3）。而在10%山羊血清中，响应范围变小，为100 pg/mL~1 μg/mL，同时相关系数也降低为0.947。由以上数据可以看出，所构建的凝胶界面的抗污性能能够使传感器在较低稀释倍数的血清中几乎不受影响，仍然保持最优检测性能。而随着血清浓度增加，大量的非特异性物质的增加会使得凝胶传感器检测范围缩小，线性相关度减小，以及检测限升高。除此之外，对10%的血清中进行了回收率计算，结果如表2所示，回收率在93.3% ~106.9%，RSD为3.1%~4.5%，变化也较小，证明该检测方法可靠。

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