S-结构Bi2S3/FeIn2S4异质结用于超灵敏的光电化学检测氟他胺

《Talanta》：S-scheme Bi2S3/FeIn2S4 heterojunction for ultrasensitive photoelectrochemical detection of flutamide

　　

黄林子|孙晓倩|邓坤祥|倪美君|李新怡|谢一曦|赵鹏程|费俊杰

中华人民共和国湘潭大学化学学院，教育部环境友好化学与应用重点实验室，湘潭411105

摘要

氟他胺（FLU）是一种用于前列腺癌治疗的非甾体抗雄激素药物，由于其治疗窗口较窄，需要对其进行敏感监测。本文构建了一种基于S型结构的Bi₂S₃/FeIn₂S₄异质结的新型光电化学传感器，以实现超灵敏的FLU检测。该电荷转移机制通过密度泛函理论计算和电子顺磁共振测试得到了验证。FLU可以通过2e^-/2H⁺转移过程将其硝基转化为亚硝基衍生物，从而充当空穴清除剂，进而放大光电流信号。该传感器的性能优于传统技术，具有宽范围线性检测能力（0.02 - 20 μM和20 - 110 μM），检测限低至10 nM。所设计的传感器具有良好的重复性和长期储存稳定性（>92.8%）。此外，该传感器已成功应用于人血清和尿液样本中，回收率在96.9%到100.2%之间。

引言

前列腺癌（PCa）是全球主要的健康挑战之一。根据世界卫生组织（2022年）的数据，每年全球约有1,467,000例新病例和397,000例死亡病例[1]。该疾病在全球男性癌症发病率（14.2%）和死亡率（7.3%）中分别位列第二和第五[2]。氟他胺（FLU）是一种一线抗雄激素药物，通过竞争性抑制睾酮和二氢睾酮与雄激素受体的结合来发挥治疗效果[3]。该药物主要用于治疗前列腺癌和多囊卵巢综合征，会通过医疗废水和人体排泄物进入水环境。其环境残留物会干扰水生生物的内分泌功能，导致鱼类雌性化、繁殖能力下降和繁殖行为改变等不良影响。尽管FLU具有公认的临床疗效，但过量暴露可能引发严重的副作用，包括肝毒性、胃肠道紊乱（如恶心、腹泻和呕吐）、高铁血红蛋白血症、泌尿生殖系统并发症（如前列腺炎和性功能障碍），以及疲劳、嗜睡和视力障碍等神经系统症状[4],[5]。因此，准确的FLU监测对于临床剂量优化、通过治疗药物监测预防肝毒性、以及环境风险评估和控制内分泌干扰性药物残留都至关重要。

鉴于FLU带来的重大问题，临床上迫切需要灵敏且准确的监测方法。虽然目前尚未制定全球统一的FLU水中的监管限值，但先前的药代动力学研究表明，口服250 mg和500 mg剂量后的血浆峰值浓度分别为0.02 μg/mL和0.1 μg/mL[6]。因此，实现极低的检测限具有重要的实际价值。传统的FLU检测方法（包括化学发光（CL）[7]、方波阴极吸附剥离伏安法（SWCASV）、紫外-可见光（UV-Vis）光谱、差分脉冲伏安法（DPV）[8]、方波伏安法（SWV）、线性扫描伏安法（LSV）[9]和荧光[10]测定）通常涉及复杂的程序，并且容易受到干扰。相比之下，光电化学（PEC）传感器具有显著的分析优势[11],[12],[13]，它具有快速检测、低成本、高精度、优异的可重复性和长期稳定性。此外，PEC方法能够实现纳摩尔级别的检测限，并且背景噪声低，特别适合在复杂基质中快速筛查微量FLU。尽管传统方法仍是精确定性和量化的基准，但PEC传感器为常规监测提供了可靠且高效的替代方案，操作简单，具有很强的现场应用潜力[14],[15],[16]。

近年来，硫化铋（Bi₂S₃）由于其高电导率和窄带隙，在传感器、太阳能电池和光催化领域受到了广泛关注[17],[18]。尽管Bi₂S₃具有很强的可见光吸收能力，但其载流子复合速度快且容易发生光腐蚀，限制了其实际应用[19],[20]。同样，硫化铁铟（FeIn₂S₄）因其有利的带边位置、强可见光吸收、低毒性和良好的结构稳定性而成为有吸引力的候选材料[21]。然而，原始的FeIn₂S₄纳米片簇通常具有较差的电荷传输性能和低电导率。为克服这一限制，研究人员将FeIn₂S₄与各种半导体（包括Bi₂WO₆、ZnIn₂S₄和FeWO₄）结合，构建了高效的异质结构用于污染物降解。值得注意的是，基于S型结构的FeIn₂S₄异质结构由于异质界面处的内部电场（IEF）作用，表现出显著增强的电荷分离能力[23]。尽管在光催化领域取得了这些进展，但Bi₂S₃/FeIn₂S₄异质结在PEC传感中的应用尚未得到探索，目前也没有研究报道使用这种S型异质结构进行FLU检测。

本文报道了一种基于Bi₂S₃/FeIn₂S₄复合材料的S型结构PEC传感器，用于选择性检测FLU。这种结构有助于高效分离光生载流子，并显著提高了抗光腐蚀能力。优化后的传感器实现了超灵敏的FLU检测，检测限为10 nM。重要的是，该传感器具有临床相关性，并已成功用于人血清和尿液中FLU的定量测量。

章节片段

材料与设备

三氯化铟四水合物（InCl₃·4H₂O，99.0%）、硫代乙酰胺（TAA，98.0%）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，AR）和无水乙醇（AR）购自中国上海的Aladdin Industrial Co., Ltd。五水合硝酸铋（Bi(NO₃)₃·5H₂O和四水合乙酸铁（Fe(CH₃COO)₂·4H₂O，AR）购自中国上海的Macklin Biochemical Co., Ltd。人血清由北京Solarbio Technology Co., Ltd.提供。

补充材料

材料表征

使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）比较了Bi₂S₃、FeIn₂S₄和Bi₂S₃/FeIn₂S₄的微观形态。Bi₂S₃呈现明显的棒状形态，单个纳米棒的直径为20 - 30 nm，长度约为100 nm。这些纳米棒聚集形成了花状结构（图2A-C）。相比之下，FeIn₂S₄由不规则的纳米颗粒簇组成，每个颗粒的直径约为50 nm（图2E-G）。

结论

本研究制备并评估了一种高灵敏度的Bi₂S₃/FeIn₂S₄/GCE PEC传感器，用于FLU的检测。通过接触角测量、XPS分析和DFT计算系统地优化了异质结的形成，证实了有效的电荷分离。独特的S型电荷转移机制不仅促进了FLU对空穴的快速氧化，还增强了FLU与异质结之间的静电吸引力，显著提高了检测灵敏度。

CRediT作者贡献声明

费俊杰：项目管理、资金获取、概念构思。倪美君：资源提供。李新怡：指导。谢一曦：指导。赵鹏程：撰写 – 审稿与编辑、指导、资金获取。孙晓倩：方法学研究。邓坤祥：验证。黄林子：撰写 – 初稿、方法学研究、数据管理

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（22276158、22176160和22406157）、教育部创新团队项目（IRT_17R90）、湖南省高等学校科技创新研究团队支持计划以及郴州市国家可持续发展议程创新示范区建设专项项目（2023sfq68）的财政支持。作者特此表示感谢。