空间分离的Cu2O/BiOI异质结与目标触发DNA级联放大技术相结合，构建出一种高灵敏度、自供电的光电化学生物传感器

《Biosensors and Bioelectronics》：Spatially Separated Cu2O/BiOI Heterojunction and Target-Triggered DNA Cascade Amplification Integrated Highly Sensitive Self-Powered Photoelectrochemical Biosensor

高灵敏度自供电光电流学传感器通过双光电极空间分离策略与靶标触发的核酸级联放大实现ATP检测，线性范围10 fM-10 nM，检测限2 fM。

　　

英江|紫怡曦|梦宇谭|若媛|雅丽媛

发光分析与分子传感重点实验室（西南大学），教育部，西南大学化学与化工学院，重庆400715，中国

摘要

在这项工作中，通过合理整合双光电电极空间分离策略和目标触发核酸级联放大技术，成功开发出一种高灵敏度、高准确度的自供电光电化学（SPEC）生物传感器，用于超灵敏检测三磷酸腺苷（ATP）。空间分离的氧化亚铜（Cu₂O）光阴极和氧化碘化铋（BiOI）光阳极，结合其匹配良好的能带结构，不仅促进了高效的电荷分离并产生极高的初始光电流，还消除了对外部电源的需求，并减轻了外来物质的干扰，从而提高了检测精度。同时，引入目标触发的三维DNA步行器与杂交链反应（HCR）相结合，使得DNA聚合物能够在电极上原位组装，加载大量的淬灭剂亚甲蓝（MB），从而显著降低光电流，实现灵敏检测。结果表明，该生物传感器对ATP浓度在10 fM到10 nM范围内的响应呈线性关系，检测限（LOD）为2 fM（信噪比S/N = 3）。通过在MCF-7和HeLa细胞中的细胞内ATP检测，验证了该生物传感器的实际可行性。所提出的设计为复杂生物基质中微量生物分子的检测提供了一种有前景的方法，并拓宽了自供电PEC系统的应用前景。

引言

三磷酸腺苷（ATP）是生物体的主要能量货币，在多种生理过程中发挥着不可或缺的作用，包括能量储存、细胞代谢、信号转导和遗传物质复制（Nagana Gowda等人2024年；Ning等人2025年；Ren等人2026a年）。ATP水平的异常与多种疾病的发生和发展密切相关，而其在环境样品中的含量也是微生物活性和环境质量的重要指标（Li等人2024年；Qu等人2026年）。因此，开发高灵敏度、选择性和可靠的ATP检测方法在临床诊断、环境监测和食品安全方面具有重要意义。自供电光电化学（SPEC）生物传感器是一种新兴的分析传感装置，它集成了能量供应和光到电信号转换的双重功能，无需外部电源，大大简化了传感架构，成为一种有前景的替代方案（Song等人2025年；Wang等人2026b年；Yang等人2025年；Zhou等人2025年）。更重要的是，采用双光电电极的SPEC系统可以克服单光电电极平台的光电转换效率限制（Pan等人2026年；Wang等人2026a年）。通过空间分离光阴极和光阳极，有效分离光生电子和空穴，减少了电荷复合，显著提高了光电流输出。此外，将生物识别元件固定在光阴极上，可以最小化杂质的干扰并抑制虚假信号，从而提供了一个具有优异精度、灵敏度和抗干扰能力的检测平台。

构建高效的SPEC系统通常需要具有合适带隙和与电子供体/受体氧化还原电位良好对齐的带边位置的光活性材料，以及高化学稳定性（Chai等人2026年；Luo等人2025年；Ren等人2026b年）。氧化碘化铋（BiOI）（Chen等人2025年；Lei等人2022年）和氧化亚铜（Cu₂O）（Zeng等人2025年；Zhang等人2024a年）具有合适的带结构、优良的光电性能和良好的生物相容性，使其成为SPEC应用的理想候选材料。构建BiOI/Cu₂O异质结可以进一步促进光生载流子的分离和转移，从而提高光电转换效率，并为提高生物传感器灵敏度奠定坚实基础。同时，基于核酸的信号放大策略（Qian等人2024年；Wang等人2023年；Xu等人2022年）为进一步提高SPEC生物传感器的检测性能提供了有效手段。三维（3D）DNA步行器是一种强大且高性能的信号放大纳米装置（Feng等人2025年；Qian等人2025年；Shi等人2023年；Xu等人2025年），它可以在三维基底上执行目标驱动的自主行走行为，实现高效和精确调控的信号输出。利用其独特的机械运动和级联反应特性，将这种DNA步行器与杂交链反应（HCR）（Hou等人2021年；Jia等人2025年；Liu等人2024年；Tang等人2023年）相结合，可以进一步提高放大效率，从而协同促进痕量分析物的超灵敏检测。

在这项工作中，我们基于空间分离的BiOI/Cu₂O异质结，结合目标介导的三维DNA步行器和HCR级联放大技术，开发了一种灵敏、准确和选择性的ATP检测SPEC生物传感器。空间分离的Cu₂O光阴极和BiOI光阳极，结合其匹配良好的能带结构，不仅促进了高效的电荷分离并产生极高的初始光电流，还消除了对外部电源的需求，并减轻了外来物质的干扰，从而提高了检测精度。当目标ATP与其适配体结合时，释放的DNA链（S1）可以启动三维DNA步行器的形成，随后在光阴极电极上发生Mg²⁺依赖性的高效切割，暴露结合位点，完成HCR触发的DNA聚合物的原位组装。因此，大量的淬灭剂亚甲蓝（MB）插入DNA聚合物中，有效抑制了光电流，实现灵敏和准确的检测。这项工作为构建高性能双光电电极SPEC生物传感器提供了有价值的设计框架，具有在临床诊断、环境监测和食品安全等复杂样品分析中的潜在应用前景。

部分摘录

BiOI的合成

BiOI是通过水热法合成的（Fu等人2024年）。简要来说，将0.392克Bi(NO₃)₃·5H₂O溶解在3毫升去离子水中，连续搅拌30分钟得到溶液A。同时，将0.83克KI溶解在5毫升乙醇中，搅拌30分钟得到溶液B。然后，在剧烈搅拌下将溶液A逐滴加入溶液B中，再进行1小时的超声处理，直到混合物变为深红色。所得悬浮液以10,000转/分钟的速度离心。

各种材料的表征

通过扫描电子显微镜（SEM）检查了合成材料的形态和结构特征。如图1A和1C所示，Cu₂O表现出明确的立方形态，平均粒径约为1微米，表明晶体生长均匀。元素映射分析（图1E和1G）进一步证实了铜和氧在整个纳米立方体中的均匀分布，这与之前关于Cu₂O合成的报告一致（Wang等人2024b年；Zong等人2025年）

结论

总之，通过合理整合双光电电极空间分离策略和目标触发DNA级联放大技术，本研究成功开发出一种高灵敏度、高准确度的ATP检测SPEC生物传感器。具体而言，BiOI光阳极和Cu₂O光阴极的空间分离，结合其匹配良好的能带结构，确保了高效的光生电荷分离和光电转换效率的提高。

CRediT作者贡献声明

雅丽媛：监督、资金获取。 紫怡曦：研究、正式分析、数据管理、概念化。 英江：写作 – 审稿与编辑、写作 – 原稿撰写、研究、正式分析、数据管理、概念化。 若媛：监督。 梦宇谭：研究。

作者声明

我们确认所有列出的作者都已阅读并批准了手稿，并且没有其他符合作者资格但未列出的人。

我们进一步确认手稿中列出的作者顺序已得到所有人的批准。

我们确认已经充分考虑了与本工作相关的知识产权保护问题，且不存在影响发表的障碍，包括发表时间等方面。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（NNSF）（22274133）、重庆市自然科学基金项目（CSTB2025NSCQ-GPX0477）以及重庆市海外归国人员创业与创新支持计划（2306013386251488）和重庆市研究生研究与创新项目（CYB25104）的支持。