基于银纳米颗粒耦合MOSFET快速响应系统的氯离子传感器及其在囊性纤维化辅助诊断中的应用

《Advanced Sensor Research》：Chloride Sensor Based on Silver Nanoparticles Coupled with a Fast-Response MOSFET System

本文报道了一种基于化学合成银纳米颗粒（AgNPs）的氯离子传感器，该传感器与MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）快速响应系统集成，实现了对氯离子（Cl?）的高灵敏度检测（线性范围0–160 mM，灵敏度55.4 ± 0.3 mV/decade）。该系统通过信号放大（提升1610.27%）将检测时间缩短至40秒以内，并支持WI-FI数据传输至移动设备，为食品工业、饮用水质量控制及囊性纤维化（CF）的辅助诊断提供了高效、非侵入式的监测方案。

　　

引言

氯离子定量分析在食品工业、海水成分分析、农业土壤研究、饮用水质量控制及健康监测（如囊性纤维化诊断）中具有重要价值。囊性纤维化（CF）由CFTR基因突变引起，患者汗液氯离子浓度≥60 mmol/L可作为诊断指标。传统血清氯离子检测方法具有侵入性局限，而汗液检测作为一种非侵入性替代方案受到广泛关注。当前氯离子传感器多基于电化学方法，其中银（Ag）和离子选择性膜是常用材料，但微机电系统（MEMS）集成传感器因复杂性高、实际应用难度大仍面临挑战。

材料与方法

银纳米颗粒（AgNPs）通过化学法合成：以乙二醇为溶剂，在155°C下加入Na₂S和PVP，随后加入AgNO₃反应5分钟，产物经乙醇洗涤后干燥。AgNPs通过XRD、TEM和EDS表征，显示粒径10–20 nm，晶体结构为面心立方（fcc）。电极制备采用AgNPs催化墨水（含Nafion）涂覆于碳纸，并经FeCl₃修饰。电化学评估在PBS（pH 5.6）中进行，使用商业Ag/AgCl参比电极或自制AgNPs参比电极（通过盐桥连接）。MOSFET晶体管（RUR040N02）作为信号放大器，通过调节栅极电压（V_GS）和漏极电阻（R_DQ）优化工作点（Q），并与ESP32微控制器集成实现信号处理与WI-FI传输。

结果与讨论

AgNPs表征显示其粒径均匀（10–20 nm），XRD图谱与标准卡片（JCPDS 04–0783）一致。电化学测试中，AgNPs传感器在0–220 mM氯离子范围内呈现线性响应，灵敏度为53 mV/decade，检测限0.32 mM。干扰实验表明，除乳酸（1 mM时干扰1.8%）外，其他汗液成分（如硫酸根、尿素、葡萄糖）无显著干扰。MOSFET耦合系统将信号放大至初始值的1610.27%（0 mM Cl^?），灵敏度提升至0.012 V mM^?1，响应时间<40秒。校准曲线（y = 0.01214x + 0.86, R²= 0.991）在0–160 mM范围内具有高重现性，检测限5 mM。五组传感器验证实验显示，在30 mM和60 mM（CF诊断关键浓度）的标准偏差分别为±0.97和±1.68，符合临床精度要求。

结论

本研究成功开发了一种基于AgNPs与MOSFET集成的氯离子传感器，具有快速响应（<40秒）、高信号放大（>900%）和便携式数据传输优势，为囊性纤维化的实时监测与辅助诊断提供了可靠技术平台。