基于Z型异质结的阳离子交换光电极材料用于金黄色葡萄球菌的高灵敏光电化学传感

为解决食品中金黄色葡萄球菌（S. aureus）快速检测的难题，齐鲁工业大学方一山团队开发了一种基于Z型异质结（DMASM@MOF/KZ3TTz）的细菌印迹光电化学（BIP-PEC）传感平台。通过阳离子交换策略调控能带结构（2.85→2.00 eV），结合Z型电荷转移机制增强光生载流子分离效率，利用溶解氧替代有毒电子受体，实现了对S. aureus的高选择性检测（检测限4.44 CFU/mL）。该研究为食源性病原体检测提供了新型稳定、环保的解决方案。

　　

研究背景与意义
金黄色葡萄球菌（S. aureus）作为常见的食源性致病菌，在食品加工环节极易造成污染，传统检测方法如PCR（聚合酶链式反应）和免疫分析法存在成本高、稳定性差等缺陷。光电化学（PEC）传感技术虽具有灵敏度优势，但传统光阳极材料易受空穴氧化干扰，且依赖有毒电子受体（如1,4-苯醌）。如何开发兼具高稳定性、环境友好性和特异性的检测体系成为关键挑战。

研究方法与技术
齐鲁工业大学研究团队通过阳离子交换将染料DMASM封装于MOF中，与有机半导体KZ3TTz构建Z型异质结，采用紫外可见吸收光谱（UV-Vis）、电子自旋共振（ESR）等技术阐明电荷转移机制。通过电聚合在电极表面构建细菌印迹膜（BIP），以溶解氧为电子受体，建立"信号关闭"型传感平台。实际样本检测采用加标回收实验验证。

研究结果

1. 材料合成与表征
   SEM显示阳离子交换未改变MOF的块状形貌（图1A-B），KZ3TTz呈纳米片结构（图1C）。能带测试表明DMASM封装使带隙从2.85 eV降至2.00 eV，拓展了光吸收范围。

2. Z型异质结机制
   时间分辨光致发光（TRPL）证实KZ3TTz延长光生电子寿命（原文未提具体数据），ESR显示·O₂^-信号增强，证实Z型异质结促进界面电荷空间分离。

3. 传感性能
   基于BIP膜的立体位阻效应，传感器对S. aureus（10¹-10⁸ CFU/mL）呈现对数线性响应，检测限4.44 CFU/mL（信噪比S/N=3）。实际样本回收率89.3%-107.0%，且对大肠杆菌等干扰物表现出高选择性。

结论与意义
该研究首创将阳离子交换策略应用于Z型异质结设计，通过DMASM@MOF/KZ3TTz复合材料的协同效应，实现了带隙调控（2.00 eV）与电荷高效分离。以环境友好型溶解氧替代传统电子受体，结合BIP膜的特异性识别，构建出稳定、高灵敏的阴极型PEC传感器。这项工作不仅为食源性病原体检测提供了新方法（发表于《Sensors and Actuators B: Chemical》），也为异质结能带工程在生物传感中的应用开辟了新思路。