聚硫堇修饰传感器中氧化还原驱动的电子转移机制及其在体外皮质醇检测中的应用

《Results in Chemistry》：Unravelling redox driven electron transfer mechanisms within polythionine modified sensors, in the context of cortisol detection in vitro.

　　

聚硫堇（PTH）是一种基于杂环噻嗪的导电聚合物，以其优异的氧化还原活性、电催化性能和生物相容性而闻名。本研究探讨了PTH在丝网印刷碳电极（SPCEs）上的电化学行为。研究人员采用循环伏安法、电化学阻抗谱和光谱电化学来表征和评估电子及氧化还原过程。根据光谱电化学和作为施加电压函数的阻抗相位角最大值测量，聚硫堇修饰的SPCE表现出pH依赖的氧化还原和电容行为，其中在酸性介质中测得最低值。与硫堇（TH）单体相比，PTH结合的SPCE的吸收光谱发生蓝移。氧化态差异使PTH可调谐用于（生物）化学分析，尤其适用于关键激素的检测。在此，该平台被用于展示电化学检测应激激素皮质醇的实用性，采用聚硫堇修饰的SPCE作为一种新方法实现了传感。该检测方法显示出检测限（LOD）为45 μM，定量限（LOQ）为135 μM，动态线性范围为456 μM至952 μM，灵敏度为0.045 μA/μM。尽管基于聚合物的化学传感器性能指标不适用于低浓度皮质醇，但该检测方法仍是迈向概念验证传感器系统的关键一步，用于体外测量微摩尔范围内具有生物学意义的关键小有机分子。

**论文解读：聚硫堇修饰电极的氧化还原机制及其在皮质醇检测中的应用**

**研究背景与问题**
聚硫堇（Polythionine, PTH）是一种基于吩噻嗪衍生物单体硫堇（Thionine, TH）的杂环导电聚合物，通过氧化阳离子聚合形成。其独特的共振结构（苯环π电子云与中心噻嗪环之间的共轭，以及硫和氮杂原子上的孤对电子）使电子沿聚合物主链传导，进而驱动电荷传输和离子迁移，赋予该材料优异的电化学和光学特性，在能源存储、传感器和电子器件中具有广泛应用。尽管PTH的电化学研究已取得显著进展（如合成条件优化、非酶生物传感器、复合材料开发等），但现有研究仍存在若干挑战：聚合物薄膜在反复循环条件下的长期稳定性、合成条件的优化，以及电子跃迁与分子相互作用之间关系的深入比较分析。此外，关于PTH在不同电极材料（如氧化铟锡或金表面）上分子行为的光谱电化学研究报道极少，特别是在不同电解质介质和不同电极上的行为差异尚未阐明。本研究首次聚焦于PTH在丝网印刷碳电极（Screen-Printed Carbon Electrodes, SPCEs）上的电子相互作用，并将紫外-可见（UV-Vis）吸收变化与相位角测量作为施加电压的函数进行关联，揭示电子与电学行为的相关性。同时，将这一解析行为应用于小有机分子（如皮质醇）的初步检测，为开发新型传感器提供概念验证。

**研究内容与结论**
研究人员通过电化学聚合在SPCE上制备PTH薄膜，采用循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）、电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）、光谱电化学（Spectroelectrochemistry, SEC）、原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等手段系统表征PTH的氧化还原行为、电子转移机制及其对皮质醇的传感性能。主要结论包括：PTH在SPCE上表现出pH依赖的氧化还原和电容行为，在酸性介质中相位角最低；氧化态差异使PTH可调谐用于生物化学分析；通过模拟酶催化反应，实现了对皮质醇（一种氧化还原惰性激素）的非酶化学传感，检测限（LOD）为45 μM，定量限（LOQ）为135 μM，动态线性范围为456 μM至952 μM，灵敏度为0.045 μA/μM。该研究首次在SPCE上对PTH进行光谱电化学分析，并关联了电子吸收与电学行为，为开发便携式集成光-电化学传感器奠定了基础。论文发表在《Results in Chemistry》。

**关键技术方法**
本研究采用的主要技术方法包括：循环伏安法（CV）用于电聚合和氧化还原行为表征；电化学阻抗谱（EIS）分析电荷转移和电容特性，通过Bode图的相位角变化评估电阻/电容行为；光谱电化学（SEC）结合UV-Vis吸收光谱监测施加电压下分子轨道激发的电子跃迁；原子力显微镜（AFM）观察聚合物薄膜表面形貌和粗糙度；傅里叶变换红外光谱（FTIR）确认聚合物官能团。所有电化学测试均在PalmSens4电化学工作站上进行，光谱电化学使用DropSens DRP-SPELEC系统。电极材料为Metrohm公司的丝网印刷碳电极（DRPC110），工作电极和对电极为碳，参比电极为银。

**研究结果**

**3.1 UV-vis absorbance of thionine monomer**
通过UV-Vis吸收光谱比较硫堇单体与PTH聚合物的电子跃迁。硫堇单体在599 nm（2.06 eV）和560 nm（2.43 eV）处显示吸收峰，分别归因于n→π*（C=N基团）和π→π*（芳香吩噻嗪环共轭体系）跃迁。PTH聚合物在SPCE上反射模式下的吸收峰蓝移至518 nm（2.39 eV）和461 nm（2.68 eV），分别对应n→π*和π→π*跃迁。聚合物π→π*跃迁的吸光度比例（AU_π→π*/AU_n→π*）是单体的三倍，表明聚合后π网络扩展，电子和空穴移动更高效。

**3.2 FT-IR**
FTIR分析显示，PTH与硫堇单体的主要差异在于N-H基团在3500 cm^-1处的伸缩振动峰强度变化，以及新形成的C-N聚合物键导致透射率增强，证实了聚合物通过C-N键形成，且链增长受电聚合循环次数控制。

**3.3 Atomic force microscopy**
非接触式AFM成像显示，PTH修饰的SPCE表面被聚合物颗粒覆盖，均匀粗糙度Sa从未修饰的23.15 nm增至28.14 nm，最大坑深Sv从-168.87 nm增至-91.69 nm（降低54%），表明聚合物材料填充了表面凹陷。

**3.4 Electrochemical behaviour of GCE- and SPCE-modified polythionine electrodes**
CV研究表明，PTH在酸性介质（HCl）中电聚合形成的薄膜在磷酸盐缓冲液（PB, pH 7）中具有更好的电化学稳定性，而醋酸缓冲液中的薄膜因醋酸根被磷酸根置换而失稳。在PB pH 7中，PTH修饰电极的阳极电流（0.04 V处）为9.00 μA ± 0.21，远高于未修饰SPCE的0.066 μA ± 0.007，表明PTH显著增强了电极电流响应。不同pH条件下的CV显示，PTH遵循质子耦合电子转移过程，氧化还原电位随pH升高而负移，在碱性条件下消失。EIS的Bode图分析表明，PTH在正电位下表现为电容行为（双层电容主导），在氧化还原电位区（PTH→leuco-PTH）发生电荷转移，相位角降低；在负电位（还原态）下，绝缘层增厚，相位角再次升高。光谱电化学首次在SPCE上记录了PTH在不同pH条件下的3D吸收光谱：酸性介质中，完全氧化态在450 nm和407 nm处有恒定吸收；中性条件下，部分氧化态在0.2 V开始吸收；碱性条件下因完全去质子化，吸收峰消失。将UV-Vis吸收（461 nm）与EIS相位角随电位变化的关系进行叠加，发现两者在PB pH 7中高度吻合，证实了电子跃迁与电学行为的相关性，PTH的带隙为2.69 eV，表现为半导体性质。

**4. Cortisol detection**
针对氧化还原惰性的皮质醇，研究人员利用H₂O₂作为氧化剂，通过PTH的酶模拟催化作用实现检测。CV显示，皮质醇本身无特征氧化还原峰，但在H₂O₂存在下，PTH转移两个电子和两个质子，将皮质醇的C3羰基还原为醇基，同时皮质醇还原H₂O₂，产生可测量的氧化波。在0.65 V电位下，校准曲线显示LOD为45 μM，LOQ为135 μM，动态线性范围为456 μM至952 μM，灵敏度为0.045 μA/μM。该传感器虽不适用于低浓度皮质醇，但证明了PTH修饰电极模拟酶活性的能力，且制备方法简单，为体外微摩尔级小有机分子检测提供了概念验证。

**总结与讨论**
讨论部分指出，PTH修饰的SPCE传感器在H₂O₂作为氧化剂时，对皮质醇的检测限较高、线性范围较窄，但仍有两项关键成果：一是PTH表面具备模拟酶（如辣根过氧化物酶）催化皮质醇反应的能力；二是成功开发了极其简单的制备方法。皮质醇在微摩尔浓度下的测量可用于监测动态内分泌功能及评估局部药物治疗效果。在临床场景中，如Synacthen（ACTH）刺激试验或急性严重生理应激（如大手术、败血症、严重创伤）时，局部血/血浆/血清皮质醇可短暂达到高纳摩尔或低微摩尔峰值。与文献中其他皮质醇检测平台（如分子印迹聚合物、金属纳米颗粒等）相比，该PTH传感器在检测限和线性范围上不占优势，但制备工艺显著简化。未来需进一步解决选择性挑战（如结构类似物干扰），并评估真实生物样本（血清、唾液、汗液）中的基质效应。

**研究结论**
聚硫堇修饰的丝网印刷碳电极在可见光谱中表现出定义明确、可逆的氧化还原活性，并伴有强光学响应。在酸性、中性和碱性电解质条件下的电化学分析证实了PTH在完全氧化、部分氧化和还原态之间的氧化还原互变。AFM清晰观察到PTH引起的SPCE表面粗糙度和谷形轮廓变化，确认聚合物存在。PTH的氧化还原峰电压依赖于电解质pH，进而影响EIS相位角，使聚合物可表现为电阻器或电容器。首次通过光谱电化学观察到PTH在SPCE上的分子相互作用随电压的变化，分子轨道电子激发与电学行为一致。PTH去质子化导致的电子结构改变阻碍了电荷传输和电子跳跃，使PTH成为一种具有pH和电位可调特性的有趣导电聚合物，为开发便携式集成光-电化学传感器和设备提供了有前景的途径。利用酶模拟方法检测了氧化还原惰性的激素皮质醇，检测限为45 μM，定量限为135 μM，动态线性范围为456 μM至952 μM，灵敏度为0.045 μA/μM。这一概念验证是迈向以新颖方法体外测量微摩尔范围内关键生物学相关小有机分子传感器系统的关键步骤。选择性缓解策略正在开发中。研究人员认为，建立能够可靠测量体外微摩尔范围的化学传感器系统，是健康监测电化学传感器领域的关键突破，该概念验证传感器系统为未来开发高选择性、高灵敏度的体内小有机分子响应系统奠定了坚实基础。