一种基于自供电双光电极和核酸外切酶I介导的目标物循环的集成双重信号放大光电化学适体传感器

《Analytica Chimica Acta》：An integrated dual signal amplification photoelectrochemical aptasensor based on self-powered dual-photoelectrode and exonuclease I mediated target recycling

　　

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  双光电极结构实现了高效的自供电光电化学传感。
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  光阴极界面有效消除了假阳性响应。
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  核酸外切酶I介导的靶标循环实现了级联信号放大。
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  双光电极PEC与Exo I靶标循环协同放大。
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  该平台实现了实际食品样品中AFB1的超灵敏检测。

引言

光电化学（PEC）生物传感通过将光激发与电化学信号转导相结合，已成为一种强大的分析技术，具有本底信号低、灵敏度高以及极佳的小型化分析潜力等优点[1]，[2]。凭借这些优势，PEC生物传感器已在生物分析、食品安全和环境监测等领域得到广泛探索[2]，[3]，[4]。然而，随着分析需求不断向痕量和超痕量检测发展，传统PEC生物传感器日益面临根本性的性能瓶颈[5]。一方面，单光电极系统中光生电子-空穴对的严重复合限制了光电转换效率的进一步提升[6]，[7]。另一方面，此类系统易受复杂样品基质中共存电活性物质的干扰[5]，[8]。特别是，基于光阳极的传感器极易受实际样品中内源性还原性物质（如抗坏血酸、谷胱甘肽）的干扰，不可避免地产生假阳性信号，严重损害检测结果的可靠性[8]。因此，同时实现高效光电转换、高抗基质干扰能力以及分子识别事件的有效放大，仍是开发高性能PEC生物传感器面临的主要挑战。

自供电PEC系统近年来受到广泛关注，因为它为克服传统PEC传感的局限性提供了实用策略[9]。通过将光阳极与光阴极耦合，两种光电极之间的费米能级差形成内建电场，驱动光生电荷载流子在外加偏压为零的条件下自发分离并定向迁移[5]，[10]。这种双光电极结构不仅提高了光电转换效率，还使光阴极能够作为传感界面，从而减少与光阳极氧化环境相关的还原性干扰物的影响[11]，[12]。已有研究表明，将生物识别过程置于光阴极上，可以有效将传感过程与光阳极的氧化环境分离，从而抑制光阳极上光生空穴对共存还原性物质的非特异性氧化[12]，[13]。此外，自供电双光电极生物传感器已证明，耦合互补光电极可以促进电极间高效电荷转移，增强光阴极响应，同时保持无偏压操作[14]。这些研究凸显了双光电极结构在自供电PEC生物传感中同时改善信号输出和抗干扰性能的潜力。具有代表性的基于光阴极的自供电适配体传感器已证明了无偏压PEC检测的可行性以及将光阴极用作传感界面的优势[14]，[15]。研究人员已采用多种双光电极配置和材料工程策略来调控电极结构、生物识别和信号转导，以获得更好的分析性能[16]，[17]，[18]，[19]。例如，已有报道的系统采用异质结构光阳极来增强光捕获和电荷分离，并与修饰的BiOBr基光阴极耦合以改善光阴极信号转导；其他研究则构建了互补半导体异质结以促进界面电荷转移并增强自供电响应[14]，[15]，[20]。这些研究表明，合理的光电极设计、异质结构构建以及能带/界面工程可以有效增强自供电光阴极适配体传感器的分析性能。然而，这些系统中的信号放大主要在光电极/材料层面实现，而通过靶标循环实现分子层面的放大受到的关注相对有限[5]。因此，即使光电转换效率有所提高，单个靶标识别事件产生的信号本质上仍然有限，这已成为限制检测灵敏度进一步提高的关键瓶颈[3]。

将高效的生化放大引入自供电PEC系统因此成为克服这一瓶颈的有吸引力的策略。酶辅助靶标循环因其操作简便、特异性优异和扩增效率高而被广泛采用[21]，[22]，[23]。在各种酶中，核酸外切酶I（Exo I）是一种不依赖模板的酶，能特异性降解单链DNA而不作用于双链DNA，与基于适配体（Apt）的传感系统表现出极佳的相容性[24]，[25]，[26]。通过合理设计Apt-靶标识别事件，使Apt暴露于酶切环境，Exo I可以自主释放完整的靶标分子以启动后续识别循环[27]。这种靶标循环级联将单次结合事件有效转化为界面性质的显著变化，从而实现传感灵敏度数量级的提升[28]。尽管Exo I辅助扩增已成功整合到荧光和电化学生物传感器中，但其在自供电PEC生物传感中的应用在很大程度上仍未被探索[29]，[30]，[31]。更重要的是，将材料层面的光电放大与识别层面的生物分子放大协同耦合，建立双重信号放大传感机制，尚未得到系统性的验证。

在此基础上，以黄曲霉毒素B1（AFB1）——一种严格监管、高毒性的食源性真菌毒素——作为模型分析物，本研究提出了一种将双光电极自供电系统与Exo I介导的级联信号放大相结合的PEC适配体传感平台[32]，[33]，[34]。所开发的用于AFB1检测的PEC自供电传感器如Scheme 1所示。采用BiOBr光阴极作为生物识别界面，有效抑制基质诱导的假阳性响应，同时保持良好的光电转换性能。同时，引入MnIn₂S₄光阳极，通过两种光电极之间的费米能级差产生的内建电场建立无偏压自供电PEC平台。双光电极构型显著增强电荷分离和界面电子转移，提供高效的光电流信号放大。传感界面通过在BiOBr光阴极表面固定AFB1适配体的互补DNA（cDNA）构建响应机制。在无靶标存在时，适配体与表面固定的cDNA杂交形成刚性双链DNA（dsDNA），产生空间位阻和静电屏障，显著抑制界面电荷转移和PEC信号。靶标识别后，适配体以高亲和力特异性结合靶标并从电极表面解离，导致光电流初步恢复。在此基础上，引入Exo I介导的靶标循环策略。解离的单链适配体可被Exo I持续切割，使靶标分子再次释放并参与下一轮识别。这持续放大分子识别事件，从而进一步增强光电响应，实现双重信号放大。得益于双光电极自供电系统与Exo I生物循环放大的协同效应，该策略兼具高光电转换效率和强大的信号放大能力。此外，实际样品的检测结果准确可靠，证明该方法为食源性真菌毒素的高灵敏检测提供了一种可靠的新方法，并为构建面向其他痕量靶标的传感平台提供了有价值的设计理念和通用技术路线。

章节片段

试剂与仪器

本研究中使用的试剂、仪器和DNA序列的详细信息见补充材料。

MnIn₂S₄的制备

MnIn₂S₄基于先前报道的溶剂热法并稍作修改合成[35]。将MnCl₂（1.0 mmol）、In(NO₃)₃·3H₂O（2.0 mmol）和硫代乙酰胺（TAA，0.45 g）溶于60 mL去离子水中，磁力搅拌60 min。用稀盐酸将所得溶液的pH调至1。然后将混合物

材料的表征

为了进一步验证材料的成功合成，采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和能量色散X射线光谱（EDS）对MnIn₂S₄和BiOBr的形貌和微观结构进行了表征。如图1A所示，MnIn₂S₄表现出清晰的层级微球形貌，表面相对粗糙，表明这些微球是由

结论

总之，通过将自供电双光电极系统与Exo I介导的靶标循环相结合，成功建立了双重信号放大PEC适配体传感策略。双光电极构型与Exo I辅助生物分子放大的协同整合，有效克服了传统PEC生物传感器的两大主要局限，即灵敏度有限和基质干扰。作为概念验证，所提出的平台实现了可靠的

CRediT作者贡献声明

Lin Zheng：写作——审阅与编辑，写作——原稿，验证，资源，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念化。Wenhui Li：写作——审阅与编辑，验证，方法学，调查，形式分析。Gaiping Li：方法学，调查，形式分析。Lina Zou：写作——审阅与编辑，项目管理，数据管理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文报告工作的相互竞争经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（批准号：22176179）的资助。

Lin Zheng|Wenhui Li|Gaiping Li|Lina Zou