文章导读

在蛋白质代谢过程中，尿素作为氨基酸分解的主要产物，需由肝脏转化为无毒的尿素并通过肾脏排出。然而，血液中尿素水平过高或过低都可能表明肝肾功能异常，并可能导致神经系统的严重影响。因此，实时监测尿素浓度在医学领域至关重要。传统的尿素检测方法 (如色谱法、光度法、电化学检测等) 存在仪器复杂、费用高昂、需要专业技术人员等问题，且部分方法在高电磁干扰环境中易出错。因此，开发高灵敏、实时、稳定且便于操作的尿素传感器具有重要意义。

本篇由西班牙加泰罗尼亚电信技术中心Satyendra K. Mishra团队撰写并发表于 Chemosensors 期刊的文章，提出了一种基于光纤表面等离子体共振 (SPR) 原理的尿素传感器，利用纤维光学传感器和多层敏感材料 (Ag、ITO和酶封装胶体层) 实现对尿素浓度的精确测量。该传感器通过观察在特定波长处的共振波长的偏移，检测尿素浓度的变化，当尿素与封装酶层发生作用后，通过酶的催化作用生成氨气与二氧化碳，改变了局部pH值，从而影响封装酶层的折射率，导致SPR共振波长的变化。

研究过程和结果

传感器优化设计

银 (Ag) 层在传感器中产生表面等离子体共振 (SPR)，而ITO (氧化铟锡) 层不仅能防止Ag的氧化，还能提高传感灵敏度。通过测试不同厚度的ITO层发现，8 nm的ITO层厚度可获得最大波长偏移，即灵敏度最佳 (图1a)。进一步增加厚度会导致偏移量降低，说明过厚的ITO层会削弱SPR的效果。酶是传感器中重要的生物识别元件，酶的浓度影响传感器对尿素的灵敏度。本研究使用胶体封装技术将不同浓度的酶 (1.4—2.5 mg) 包裹在传感层中，发现酶浓度为2 mg时传感器灵敏度最佳 (图1b)，超过此浓度会导致响应波长偏移量下降，可能由于酶浓度过高而导致封装不稳固。由于尿素水解后会改变pH值，因此维持稳定的pH值，对于酶活性至关重要。本研究发现，pH 7是最理想的环境，在此pH值下，酶的反应效率最佳，从而提供最佳传感效果 (图1c)。在较低或较高的pH值下，酶的活性受抑制，导致灵敏度降低。

图1. 不同条件下，在共振波长中观察到的由尿素浓度从0到160 mM的变化而发生的偏移：(a) 银包裹的纤维芯上的ITO厚度，(b) 凝胶基质中的酶浓度和 (c) 尿素样品的pH值。

实验结果与分析

该传感器在尿素浓度为0—160 mM的范围内表现出良好的线性响应，检测限达到了0.56 mM，灵敏度约为0.59387 nm/mM，显示出对低浓度尿素的优异检测能力。这种高灵敏度对于血尿素水平的准确监测具有重要应用价值。通过对多个尿素样品 (10 mM和160 mM) 反复测试，验证了传感器的稳定性和可重复性。实验显示，传感器在10秒内达到稳定响应，证明其具备快速检测的潜力。将此特性应用于医学领域，可实现实时在线监测，方便患者及医疗人员进行健康管理 (图2)。

图2. (a) 稳定性和重复性曲线；(b) 优化后的传感器探针的响应时间曲线。

本研究将所制备的传感器与其他已报道的尿素传感器在灵敏度、检测限、稳定性、重复性、响应时间以及操作复杂性等方面进行了详细比较 (表1)。结果显示，本传感器在灵敏度和检测限方面优于许多传统的尿素检测方法，如色谱法、电导法、分光光度法等。与其他基于SPR原理的尿素传感器相比，本传感器在稳定性、重复性和响应时间上也具有明显优势，且操作相对简单，不需要复杂的样品预处理过程。此外，本传感器的检测浓度范围 (0—160 mM) 更宽，能够覆盖人体血液和尿液中尿素的生理浓度范围，更适合实际应用。

表1. 不同尿素检测方法检测限和灵敏度的比较。

文章总结

本研究成功制备了一种基于银/氧化铟锡/酶捕获凝胶层的光纤等离子体尿素传感器，并对其进行了全面的性能表征和优化。通过系统研究ITO层厚度、凝胶基质中酶浓度和尿素样品pH值等关键参数对传感器性能的影响，确定了最佳的传感器制备条件，使传感器在灵敏度、检测限、稳定性、重复性和响应时间等方面达到了较为理想的性能指标。该研究采用独特的Ag/ITO/酶捕获凝胶层结构作为传感元件，结合了银的等离子体特性、ITO的防氧化和增强消逝场作用以及凝胶包埋酶的高活性和稳定性，提高了传感器的整体性能。利用光纤作为传感器平台，实现了传感器的小型化、轻量化和抗电磁干扰能力，便于现场检测和远程监测。本研究通过优化实验参数，显著提高了传感器的灵敏度和检测限，使其在尿素检测方面具有更好的性能。

原文信息

Sharma, S.; Mishra, S.K. Exploiting the Advantages of Ag/ITO/Enzyme Trapped Gel Layers to Develop a Highly Sensitive and Selective Fiber Optic Plasmonic Urea Sensor. Chemosensors 2023,11, 421. https://doi.org/10.3390/chemosensors11080421

Chemosensors 期刊介绍

期刊范围涵盖化学传感理论；机理和检测原理；开发、制造技术；化学分析方法在食品、环境监测、医药、制药、工业、农业等方面的应用。

• 2023 Impact Factor: 3.7
• 2024 CiteScore: 7.3