基于双Z型In2 S3 /Bi2 S3 /ZnS异质结的光电化学生物传感器用于环境污染物四环素的超灵敏检测

针对四环素(TC)环境污染监测的灵敏度瓶颈问题，研究人员创新性地构建了具有核壳结构的双Z型In2 S3 /Bi2 S3 /ZnS(IBZS)异质结作为光活性材料，结合靶向触发熵驱动DNA反应(TEDR)技术，开发出检测限达0.54 fM的光电化学(PEC)生物传感器。该研究通过双重"Z"电子通道抑制载流子复合，将传统单Z型异质结的光电响应提升2.5倍，为环境抗生素检测提供了新范式。

　　

【研究背景】
四环素类抗生素的滥用已构成严峻的环境与健康威胁。这类药物通过生态循环进入人体后，不仅会诱导细菌耐药性，还可能通过食物链蓄积引发肝损伤等疾病。尽管现有检测技术如高效液相色谱(HPLC)精度较高，但存在设备昂贵、操作复杂等局限。光电化学(PEC)技术因其高灵敏度备受关注，但传统半导体材料载流子寿命短、光吸收不足等缺陷严重制约检测性能。更棘手的是，DNA信号放大过程中"呼吸效应"导致的背景噪声，使得超痕量检测始终难以突破fM级门槛。

【技术方法】
西南大学研究人员采用两步水热法合成核壳结构双Z型IBZS异质结，通过紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)和电化学阻抗(EIS)表征其光电性能。设计靶向触发熵驱动DNA反应(TEDR)体系：将燃料链(FS)和触发链(T)预固定在适配体(Apt)修饰的磁珠(MBs)上，通过TC特异性识别释放FS/T启动循环放大。采用甲基蓝(MB)作为信号淬灭剂，在捕获DNA(CP)修饰电极上实现信号转导。

【研究结果】

1. 形貌与结构表征
   SEM显示IBZS呈现以In₂
   S₃
   为核(直径1.8 μm)、Bi₂
   S₃
   纳米稻谷(150 nm)和ZnS纳米球(25 nm)为壳的层级结构。X射线衍射(XRD)证实三方晶系In₂
   S₃
   (JCPDS 65-0459)与正交晶系Bi₂
   S₃
   (JCPDS 17-0320)的成功复合。

2. 光电性能优化
   UV-Vis显示IBZS在200-800 nm宽谱响应，带隙降至1.78 eV。瞬态光电流测试表明，双Z型结构使电子从ZnS和Bi₂
   S₃
   的导带(CB)经In₂
   S₃
   价带(VB)形成闭环转移，载流子分离效率达单Z型的2.3倍。

3. TEDR机制验证
   凝胶电泳证实TC浓度在1 fM时即可触发FS/T释放。呼吸效应抑制实验显示，锁定状态的背景信号仅为自由体系的6.7%，信噪比提升15倍。

4. 检测性能评估
   在最优条件下，传感器对TC的线性范围跨越7个数量级(1.0 fM-10 nM)，检测限0.54 fM较HPLC国标方法低3个数量级。实际水样加标回收率98.3-102.7%，与HPLC结果偏差<5%。

【结论与意义】
该研究通过双Z型异质结设计解决了传统PEC材料光电转换效率低的科学问题，创新性提出的TEDR策略攻克了DNA呼吸效应导致假阳性的技术难题。所构建的IBZS基生物传感器不仅为环境抗生素监测提供了新工具，其"宽谱响应-高效载流子迁移-闭环信号放大"的三重协同机制，更为设计高性能PEC材料提供了普适性策略。这项工作被《Biosensors and Bioelectronics》收录，标志着我国在环境污染物超灵敏检测领域取得重要突破。