Smartphone-Coupled Dual-Signal Biosensor Based on Au NP–Chitosan Hydrogel: Colorimetric Readout and Sol–Gel Transition for On-Site Cysteine Monitoring

化学 检出限 半胱氨酸 生物传感器 组合化学 硫醇 色谱法 线性范围 假阳性悖论 纳米颗粒 RGB颜色模型 胺气处理 线性 肉眼 过渡(遗传学) 灵敏度(控制系统) 原位 纳米技术 定量分析(化学) 动态范围 分子 氨基酸 壳聚糖 比色法 分析化学(期刊) 限制 氢键 纳米传感器
作者
Longxue Yu,Yao zhou,Xin Wang,Lingyun Xue,S. Wang,Ying-Run Liu,Xuezhen Gao,X Liu
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:98 (3): 2527-2540
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.5c07222
摘要

Cysteine (Cys) is essential in human physiological processes, and its abnormal levels are linked to various diseases, necessitating real-time monitoring in biological samples. Conventional detection methods, however, are often limited by the operational complexity and susceptibility to interference. To overcome these issues, we developed a chitosan–gold nanoparticle (CS–Au NP) gel sensor for dual-mode visual detection of Cys via gel–sol transition and colorimetry. This approach significantly reduces false positives that are common in single-signal methods. The sensor utilizes chitosan as an in situ reductant to form Au NPs, which together with chitosan amine groups and hydrogen bonding construct a 3D gel network. In the presence of Cys, its thiol groups competitively bind to Au NPs, disrupting cross-linking and triggering a gel–sol transition. Quantitative analysis based on the coverage ratio (Cr) on paper substrates showed high sensitivity with a detection limit of 2.08 μM and strong linearity (R2 = 0.9981). Concurrently, Au NPs released from the gel assemble into nanoaggregates, causing a red-to-blue-gray color shift due to SPR changes. This allows both visual qualitative assessment and smartphone-based RGB quantification, achieving a linear range of 20–1000 μM and an LOD of 2.23 μM. The dual-mode design ensures high selectivity, with minimal response to 19 interfering amino acids. Practical tests in human urine and bovine serum yielded recoveries of 100.24%–125.80%, confirming accuracy in complex matrices. Integrated with smartphone imaging, this portable system is ideal for point-of-care testing, offering a reliable and cost-effective platform for Cys monitoring and precision medicine.
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