Electrophoretic sensitivity control applied on microscale NOx? biosensors with different membrane permeabilities

應用于不同膜滲透率的微尺度 NOx?生物傳感器的電泳靈敏度控制

來源：Sensors and Actuators B Chemical · October 2014

 

1. 論文摘要內容

摘要指出，配備多孔膜的生物傳感器，其離子進入速率可以通過電場中的遷移作用來增強或降低。本研究報道了這種被稱為電泳靈敏度控制（ESC）的技術，如何在與不同滲透性膜構建的微尺度NOx-（即NO2- + NO3-）生物傳感器上工作，以及在不同鹽度的水體中的表現。傳感器在ESC電位-0.2V至+0.6V，以及鹽度0.1、5和35 g NaCl L?1的條件下進行校準。數據顯示，降低膜的滲透性可以獲得更高的ESC響應，從而實現更好的傳感器靈敏度調節。在0.1和5 g L?1鹽度下，對低滲透性膜施加+0.2V的ESC極化，就足以完全補償其因滲透性降低（相對于未應用ESC電路的高滲透性膜）而導致的初始硝酸鹽靈敏度損失。在35 g L?1鹽度下，補償發生在+0.4V，但僅限于具有薄膜的傳感器。除了增加調節生物傳感器響應的可能性外，降低滲透性還允許傳感器進行快速的原位零點校準，并且膜更堅固，附著力更強。

2. 研究目的

本研究旨在系統探究膜滲透性和分析物鹽度對電泳靈敏度控制（ESC）技術效率的影響。具體目標是：評估通過降低膜滲透性是否可以提高ESC的響應調節范圍；比較不同鹽度（淡水、咸水、海水）環境下ESC的效果；并最終為優化微尺度NOx-生物傳感器的設計（在靈敏度、機械強度、校準便利性和環境適應性之間取得平衡）提供實驗依據和推薦方案。

3. 研究思路

 

調控膜滲透性：通過改變用于滲透活化 Gambrane® 透析膜的 LiClO? 溶液濃度（0%, 5%, 7%, 10% w/w），制備具有不同離子滲透性的膜，并以通過膜的電流作為滲透性的指標。

構建與測試傳感器：使用標準方法構建微尺度NOx-生物傳感器，其核心是能將NOx-還原為N?O的細菌，以及一個用于檢測N?O的Unisense微傳感器。分別采用高滲透性（10% LiClO?處理）和低滲透性（7% LiClO?處理）的膜制作兩組傳感器。

設計綜合實驗系統：建立如圖1所示的測量電路，該電路集成了ESC極化電源、用于測量N?O的電流檢測電路（picoammeter 1）、測量ESC電流的電路（picoammeter 2）以及數據采集系統（Unisense ADC216）。

在多種條件下校準：將兩組傳感器置于三種不同鹽度（0.1, 5, 35 g NaCl L?1）的水體中。在每個鹽度下，依次施加從-0.2V到+0.6V的ESC極化電壓（以及開路狀態），并通過連續添加硝酸鹽標準液來校準傳感器靈敏度（pA/μM）。

 

數據分析與比較：計算每個ESC電位下的電泳靈敏度放大系數（ESM，即某極化電壓下的靈敏度與開路狀態下靈敏度的比值），用以評估ESC效率。通過統計檢驗比較兩組傳感器在不同鹽度和ESC電壓下的靈敏度、ESM值以及ESC電流的差異。

 

4. 測量方面、數據來源及研究意義

 

膜滲透性指標：測量了在不同LiClO?濃度處理的膜上施加+0.3V電壓時流過的電流。意義：直接驗證了膜滲透性隨LiClO?濃度增加而線性增加（圖2）。這為后續選擇7%和10%兩種處理來代表“低滲透性”和“高滲透性”膜提供了定量依據。

 

傳感器靈敏度：測量了傳感器在不同ESC極化和鹽度下，輸出電流與硝酸鹽濃度的校準曲線斜率（pA/μM）。意義：量化了傳感器的核心性能。數據顯示，在ESC開路時，低滲透性膜（7%）傳感器的靈敏度顯著低于高滲透性膜（10%）傳感器。但隨著正ESC電壓增加，前者的靈敏度提升幅度更大（圖3）。這直觀展示了“低滲透性膜具有更高ESC調節能力”的效應。

 

電泳靈敏度放大系數：計算了ESM（靈敏度比值）。意義：消除了傳感器基礎靈敏度的差異，純粹地衡量ESC技術的放大效率。圖4 清晰地表明，在所有測試鹽度下，低滲透性膜（7%）的ESM值都顯著高于高滲透性膜（10%），尤其是在低鹽度（0.1 g L?1）下差異巨大。這確證了降低膜滲透性是提高ESC調節能力的有效策略。

 

ESC電流：測量了流經ESC電路（即膜）的電流與所施加極化電壓的關系。意義：反映了整個離子遷移電路的導電特性。數據顯示ESC電流與電壓呈線性關系（圖5），且受鹽度（離子強度）顯著影響，鹽度越高電流越大。但ESC電流與硝酸鹽濃度無關（圖6右），說明電流主要由背景電解質（如Cl?）攜帶，這解釋了為何在高鹽度下ESC對NO??的遷移效率會相對下降。

 

 

攪拌實驗的靈敏度變化：測量了在劇烈攪拌和靜止條件下傳感器靈敏度的差異。意義：揭示了在極低鹽度（0.1 g L?1）下，傳感器尖端可能存在由離子擴散速率差異引起的擴散電位，該電位能額外促進NO??進入傳感器。攪拌會破壞此電位導致靈敏度下降。這一現象警示在極低鹽度環境中使用時需注意流體條件的影響。

 

5. 研究結論

 

成功實現滲透性調控與ESC增強：通過降低LiClO?濃度，可以制備出滲透性更低、機械強度更高的膜。與此類膜搭配的傳感器，其電泳靈敏度控制（ESC）的調節范圍顯著大于使用高滲透性膜的傳感器。

鹽度是影響ESC效率的關鍵因素：分析物的鹽度強烈影響ESC效果。鹽度越高，ESC電流越大，但由NO??遷移所貢獻的份額比例越小，導致ESC的放大效率（ESM）降低。這解釋了先前研究與本研究觀察到的差異。

提出優化傳感器構建方案：綜合性能最佳的傳感器是采用7% LiClO?處理并結合較薄的膜構建的。此方案在0.1-5 g L?1鹽度下，僅需+0.2V至+0.4V的ESC電壓即可補償因滲透性降低損失的靈敏度，同時獲得了更強的ESC調節能力、更好的機械強度以及實現原位零點校準的潛力。

闡明相關現象與機制：研究解釋了為何在ESC電路短路（0.0V）時靈敏度反而低于開路狀態（因內部Ag/AgCl電極與外部參比電極存在固有電位差，導致短路時有凈電流外流）。同時也揭示了在極低鹽度下，攪拌引起靈敏度下降的可能原因（破壞了擴散電位）。

 

拓展ESC技術應用前景：ESC技術原則上可應用于任何通過檢測中性分子來間接反映離子濃度的生物傳感器，為未來開發針對其他帶電分析物的高特異性、高性能傳感器提供了重要技術路徑。

 

6. 詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據有什么研究意義

在本研究中，丹麥Unisense公司的技術產品構成了整個實驗和數據采集系統的核心框架，其提供的數據對于實現高精度、多維度的測量和機制闡釋具有至關重要的作用：

 

作為核心檢測終端，提供高靈敏度信號：論文中明確提及，生物傳感器內部集成了“Nitrous oxide microsensors (commercially available at Unisense, Denmark)”。這是整個傳感器的核心檢測元件，負責將細菌還原NOx-產生的N?O濃度轉化為可測量的電流信號。Unisense的N?O微傳感器以其高選擇性和高靈敏度著稱，能夠檢測由單個微米級傳感器尖端內極少量的N?O變化所引起的微小電流（pA級）。沒有這個可靠的終端探測器，前面所有的膜滲透性調節和ESC遷移效應都將無法被量化。其提供的原始電流信號（pA）是所有靈敏度計算的絕對基礎。

構建完整、同步的多參數測量系統：研究使用了Unisense的ADC216數據采集系統和SensorTrace Basic軟件來同步記錄多個關鍵參數：測量電路的電流（反映N?O濃度）、ESC電路的電流、以及ESC電極間的電壓。這種集成的同步采集能力至關重要，因為它確保了當研究者改變ESC極化電壓或添加硝酸鹽時，所有的電響應（傳感器信號和ESC電流）都能被精確關聯在同一時間軸上。例如，圖6右顯示的ESC電流在長達30分鐘的校準過程中保持穩定，這一觀測直接依賴于該系統持續、穩定的記錄功能，從而有力地證明了ESC系統的穩定性。

實現pA級電流的精確測量：研究中用于測量傳感器信號和ESC電流的是“custom-made picoammeters”（皮安計）。雖然文檔未明確說明其品牌，但整個系統由Unisense組件集成，且皮安級電流測量是微傳感器技術的標配。對ESC電流的精確測量（圖5， 圖6）是理解系統行為的關鍵。這些數據不僅驗證了ESC電流與電壓的線性關系（歐姆行為）、與鹽度的正相關關系，更重要的是，其與硝酸鹽濃度無關的特性，為從物理化學層面（離子遷移數理論）解釋“為何高鹽度下ESC對NO??的遷移效率會降低”提供了直接的實驗證據。沒有對微小ESC電流的精確捕捉，這種深入的機理解釋將無法進行。

 

保障實驗的可控性與可重復性：Unisense的整套系統（傳感器、采集卡、軟件）為這類復雜的電生理-電化學耦合實驗提供了一個標準化、可控的平臺。研究者可以通過軟件精確設定和監控ESC極化電壓，并實時觀察傳感器響應，從而快速調整實驗條件。這種可控性對于系統性地完成在不同鹽度、不同ESC電壓下的多次校準實驗至關重要，確保了生成數據（如圖3，4，5）的高度可重復性和可比性。

 

總結：在這篇論文中，Unisense并不僅僅是提供一個單一的“電極”，而是提供了一套從信號感知（N?O微傳感器）、到信號轉換與放大（皮安計）、再到多通道數據同步采集與記錄（ADC216與SensorTrace軟件）的完整微傳感測量解決方案。該系統所提供的高時間分辨率同步數據流，使得研究者能夠將“施加的ESC電壓”、“產生的ESC電流”和“最終的生物傳感器信號”這三個變量動態地、定量地關聯起來。這不僅讓驗證“低滲透性膜提升ESC調節能力”這一核心假設成為可能，更使得深入分析鹽度影響、電路穩定性、擴散電位等次級現象和機制成為可能。Unisense技術在本研究中是實現從“觀察到現象”到“闡明其定量關系和內在機理”這一跨越的關鍵賦能工具。