基于Ti3C2 MXene@TiO2/Co2.7Ni0.3O4 Z型异质结的光电化学传感平台用于检测HeLa细胞线粒体来源的H2O2及其机制研究

本研究针对线粒体电子传递链中活性氧（ROS）生成位点难以精准检测的问题，开发了一种基于Ti3C2 MXene@TiO2/Co2.7Ni0.3O4 Z型异质结的新型光电化学传感平台。通过低温退火技术构建紧密接触的异质结结构，实现了对H2O2的高灵敏度检测（线性范围0.05-50,000 nM，检测限0.03 nM），并成功应用于HeLa细胞线粒体电子泄漏位点的鉴定，为氧化应激相关疾病机制研究和药物靶点发现提供了重要技术支撑。

　　

在细胞的生命活动中，线粒体作为能量工厂扮演着核心角色，但其电子传递过程中产生的活性氧（ROS）却是把双刃剑。当线粒体功能失常时，电子会发生泄漏，与氧分子结合形成超氧阴离子（O₂^•?），进而引发氧化应激反应，成为癌症发展、染色体老化和DNA突变等重要病理过程的推手。然而，由于O₂^•?寿命极短（仅约1秒），直接检测困难重重。幸运的是，在超氧化物歧化酶（SOD）作用下，O₂^•?会迅速转化为相对稳定的过氧化氢（H₂O₂），这为间接检测O₂^•?提供了可能。

目前检测H₂O₂的技术面临诸多挑战：传统光学传感器存在背景信号高、仪器笨重的缺点；电化学传感器需要施加较大偏压可能导致分子失活；而现有光电化学传感器又普遍存在光生电子-空穴对易复合的问题。如何构建一种能够有效分离光生电子-空穴对，同时具备高灵敏度、高选择性的传感平台，成为研究者们亟需突破的技术瓶颈。

在这项发表于《Biosensors and Bioelectronics》的研究中，河南大学的研究团队创新性地开发了一种基于Ti₃C₂ MXene@TiO₂/Co_2.7Ni_0.3O₄ Z型异质结的光电化学传感平台。该平台通过巧妙的材料设计和结构调控，实现了对H₂O₂的超高灵敏度检测，并成功应用于HeLa细胞线粒体电子泄漏位点的精准鉴定。

关键技术方法

研究采用低温退火法（400°C）将Ti₃C₂部分氧化为TiO₂，形成紧密接触的Ti₃C₂@TiO₂复合物，然后通过水热法在其表面生长Co_2.7Ni_0.3O₄纳米线阵列，构建三元Z型异质结。使用HeLa细胞来源的线粒体样本，通过特异性抑制剂（鱼藤酮、TTFA、抗霉素A、紫杉醇）处理靶向线粒体电子传递链复合物I-IV。采用光电化学检测技术在0.1 M PBS缓冲体系中进行H₂O₂检测，工作电压为-0.1 V。

研究结果

3.1. 纳米材料的形貌表征

通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜对材料形貌进行表征，发现经过HF蚀刻后的Ti₃C₂呈现手风琴状超薄层状结构，Co_2.7Ni_0.3O₄以纳米线形式存在并出现聚集现象。经过400°C煅烧后，Ti₃C₂表面被TiO₂颗粒覆盖，但仍保持层状结构，Co_2.7Ni_0.3O₄纳米线阵列在Ti₃C₂层上原位生长。高分辨率电镜显示存在0.26 nm（Ti₃C₂的010晶面）、0.14 nm（Co_2.7Ni_0.3O₄的440晶面）、0.20 nm（Co_2.7Ni_0.3O₄的400晶面）和0.35 nm（TiO₂的101晶面）的晶格条纹，表明成功形成了Ti₃C₂、TiO₂和Co_2.7Ni_0.3O₄的三元异质结。

3.2. 纳米材料的X射线光电子能谱分析

X射线光电子能谱分析显示Ti₃C₂@TiO₂/Co_2.7Ni_0.3O₄中存在C 1s、Ti 2p、O 1s、Ni 2p和Co 2p的典型峰。与Ti₃C₂@TiO₂相比，Ti₃C₂@TiO₂/Co_2.7Ni_0.3O₄中Ti 2p的结合能向高场方向移动约0.2 eV，而Co 2p和Ni 2p的结合能向低场移动约0.2-0.3 eV，表明电子从Ti₃C₂@TiO₂向Co_2.7Ni_0.3O₄转移。

3.3. 纳米材料的X射线衍射分析

X射线衍射分析表明，经过HF蚀刻后，Ti₃AlC₂中38.8°处的Al原子层特征峰（104晶面）消失，证实成功制备了Ti₃C₂。经过120°C水热处理12小时并在400°C空气中煅烧后，出现了TiO₂的（101）和（211）晶面特征峰，表明Ti₃C₂被部分氧化为TiO₂。

3.4. 纳米材料的交流阻抗分析

电化学阻抗谱显示，所有Ti₃C₂@TiO₂/Co_3-xNi_xO₄复合材料的电荷转移电阻（R_ct）均显著低于Ti₃C₂和Co_2.7Ni_0.3O₄单独存在时，证明通过合理的结构设计，复合材料的电子传输能力得到显著增强。

3.5. 电化学和光电化学行为研究

3.5.1. 电化学行为

循环伏安研究表明，Ti₃C₂@TiO₂/Co_2.7Ni_0.3O₄电极对[Fe(CN)₆]^3?/4?的氧化还原峰电流明显高于CC基底、Ti₃C₂和Co_2.7Ni_0.3O₄电极。计算得到电化学活性表面积（A）为0.0764 cm²，电子转移系数（α）为0.79，表面粗糙因子（R_f）为0.076，异相电子转移常数（k₀）为0.29 s^-1，表明该电极具有优异的电子转移动力学性能。

3.5.2. 紫外-可见漫反射光谱和莫特-肖特基分析

通过紫外-可见漫反射光谱和Tauc图计算得到Co_2.7Ni_0.3O₄和TiO₂的带隙能（E_g）分别为1.71 eV和2.93 eV。莫特-肖特基分析表明Ti₃C₂@TiO₂为n型半导体，平带电压（E_fb）为-0.60 eV（相对于Ag|AgCl），Co_2.7Ni_0.3O₄为p型半导体，平带电压为0.46 eV。计算得到Ti₃C₂@TiO₂的导带电压（E_CB）和价带电压（E_VB）分别为-0.4 eV和2.53 eV（相对于NHE），Co_2.7Ni_0.3O₄的价带电压和导带电压分别为0.66 eV和-1.05 eV（相对于NHE）。

3.5.3. H₂O₂检测机制

基于能带结构分析，提出了Z型异质结机制：可见光照射下，TiO₂和Co_2.7Ni_0.3O₄被激发产生光生电子-空穴对，TiO₂导带上的光生电子与Co_2.7Ni_0.3O₄价带上的光生空穴通过Ti₃C₂电子中介体复合，导致光生空穴在TiO₂价带上积累，光生电子在Co_2.7Ni_0.3O₄导带上积累。TiO₂价带上的空穴（2.53 eV）能够氧化H₂O₂（1.77 eV）生成H₂O，而Co_2.7Ni_0.3O₄导带上的电子（-1.05 eV）能够还原O₂（-0.33 eV）生成O₂^•?。

3.5.4. 电极对H₂O₂的光电化学响应

光电电流测试显示，Ti₃C₂@TiO₂/Co_2.7Ni_0.3O₄电极的光电流响应（58 μA）显著高于其他比例复合材料以及单一组分材料，这归因于9:1的Co²⁺-Ni²⁺化学计量比提供了最佳的协同效应和最大的比表面积。

3.5.5. H₂O₂的定量检测

在0.1 M PBS中，Ti₃C₂@TiO₂/Co_2.7Ni_0.3O₄电极对H₂O₂的检测线性范围为0.05-50,000 nM，检测限为0.03 nM，灵敏度为5.93 μA/log(nM)，相关系数R² = 0.9906。与以往报道的传感器相比，该传感器具有最宽的线性范围和最低的检测限。

3.5.6. 长期稳定性、重现性、循环稳定性和抗干扰能力

稳定性测试表明，储存4周后光电流仅下降6.2%。五个独立制备的电极显示出良好的重现性（相对标准偏差1.21%）。连续14次光开关循环后，光电流保持稳定（相对标准偏差0.98%）。抗干扰实验显示，10 μM的干扰物质（葡萄糖、多巴胺、尿酸、柠檬酸、尿素等）对光电流的影响小于2%，而1 μM H₂O₂使光电流下降19.3%，表明传感器对H₂O₂具有良好的选择性。

3.5.7. HeLa细胞中H₂O₂的检测

通过台盼蓝染色和Mito-Tracker Green染色证实HeLa细胞活性良好且线粒体提取成功。使用该传感器检测从2.8×10⁷个HeLa细胞中提取的线粒体，观察到光电流下降3.6%，证明能够检测活细胞线粒体中的H₂O₂。通过特异性抑制剂（鱼藤酮针对复合物I，TTFA针对复合物II，抗霉素A针对复合物III，紫杉醇针对复合物IV）处理线粒体，发现复合物I抑制剂处理后的光电流变化最大（10%），表明复合物I是HeLa细胞线粒体中电子泄漏的主要位点。

研究结论与意义

本研究成功构建了一种基于Ti₃C₂@TiO₂/Co_2.7Ni_0.3O₄ Z型异质结的高性能光电化学传感平台。通过系统的材料表征和理论计算，证实了Z型异质结的形成和电子转移机制，其中Ti₃C₂作为快速电子传输通道，有效促进了光生电子-空穴对的分离。该传感器对H₂O₂表现出卓越的检测性能：宽达5个数量级的线性范围、低至0.03 nM的检测限、良好的选择性、重现性和稳定性。

更重要的是，该研究首次将此类传感器应用于HeLa细胞线粒体电子泄漏位点的鉴定，发现复合物I是电子泄漏的主要位点，这与宫颈癌的发生发展密切相关。这一发现不仅为氧化应激相关疾病机制研究提供了重要见解，也为药物靶点发现和精准治疗提供了新思路。

该研究的创新点在于：一是通过简单的低温退火法实现了Ti₃C₂的原位部分氧化，形成了紧密接触的异质结结构；二是巧妙利用Z型异质结机制有效分离光生电子-空穴对，显著提高了光电转换效率；三是将光电化学传感技术成功应用于细胞线粒体功能研究，开拓了生物传感的新应用领域。

这项研究成果为氧化应激相关疾病的早期诊断和治疗靶点发现提供了强有力的技术支撑，具有重要的科学意义和临床转化价值。未来，这种传感策略还可扩展到其他生物标志物的检测，为生命科学研究提供新的工具和方法。