基于多米诺级联放大的电致变色门控光声-电化学发光双模态外泌体检测技术

《Biosensors and Bioelectronics》：Electrochromic Gated Photoacoustic-Electrochemiluminescent Bimodal Biosensing via Domino Cascade Amplification for Exosomes

　　

摘要

在多模态生物传感中，实现独立转导途径之间的内在物理关联仍是一项关键挑战。本文设计了一种电致变色调控机制，用于在双极电极架构中同步调节光声信号与电化学发光信号，以用于外泌体分析。该平台采用由银纳米粒子修饰的氧化钨纳米片构成的双功能阴极来实现。在此设计中，氧化钨纳米片作为核心电致变色组件，其电压诱导的还原作用能显著增强光学吸收，从而在激光激发下产生强烈的光声信号。同时，嵌入的银纳米粒子可利用相同的电压刺激来催化氢气生成反应，进而增强鲁米诺的阳极电化学发光信号，作为补充信号输出。这种共同的电压调控机制确保了光学信号与声学信号的内在同步性。为验证这一独特的协同调控概念并探索其传感应用潜力，本研究采用了目标诱导的邻近杂交技术结合滚环扩增方法，引入带有铜纳米簇标记的DNA探针。这些探针会引发一系列反应，将导电的银纳米粒子转化为低导电性的银溴化物，从而破坏银纳米粒子/氧化钨纳米片阴极的电致变色与催化功能。正如预期的那样，这种级联效应会导致电化学发光信号与光声信号的同时衰减，从而能够以高特异性定量检测浓度在10³到10⁸颗粒/毫升之间的结直肠癌相关外泌体。通过利用电致变色效应实现电压调控下的光声信号生成，这项工作开创了一种具有颠覆性的传感策略，相较于传统的间接耦合方法更具优势，为开发先进的多模态集成诊断系统提供了新的可能。

引言

光声效应是一种通过瞬时热弹性膨胀将光转换为声波的物理现象，已被视为一种多种用途的信号转导机制（Liang等人，2025年）。该效应源于材料或生物组织对光的吸收，这种吸收会导致局部加热，进而产生可作为声学信号检测的压力波（Zeng等人，2018年）。基于这一原理，光声检测技术作为一种集光学、热学和声学技术于一体的分析工具，已展现出在临床前诊断中的巨大潜力（Li等人，2024a年；Rizwan等人，2025年）。迄今为止，光声检测技术主要被应用于体内成像以及生理微环境、小分子和金属离子的检测（Xiao等人，2017年；Yin等人，2018年；Liu等人，2017年）。在这些应用中，光声信号的生成通常依赖于精心设计的化学界面，这些界面能够促进光声探针与分析物之间的直接相互作用，从而引发探针的结构、物理或化学变化，进而导致光声信号输出的变化（Shen等人，2023年）。尽管这种方法十分有效，但由于依赖于特定的探针，往往需要复杂的化学设计，这限制了光声传感系统的通用性和稳定性。因此，迫切需要探索新的光声信号生成机制，并将光声转导技术整合到成本更低、更便于携带的平台上，以便在体外检测具有临床意义的生物标志物——这样的进展将极大拓展光声检测技术在即时诊断和液体活检中的应用范围。

从机制上来看，光声信号的变化是由响应材料的光学吸收变化所决定的，通常表现为光谱偏移或强度调制。值得注意的是，电致变色材料为解决这一难题提供了可行方案，因为其光学吸收可以通过电化学氧化还原反应在电压控制下实现可逆调节（Farahmand Nejad等人，2021年）。作为典型的电致变色材料，三氧化钨因其出色的颜色对比度、较高的着色效率以及优异的化学稳定性而备受重视（Tan等人，2025年；Zhao等人，2025年）。在电场作用下，带电平衡的阳离子会嵌入三氧化钨的晶格中，而电子则被注入其导带中（Khan等人，2020年；Zhang等人，2024年）。这种共同注入的作用会提升费米能级，将六价钨离子还原为五价钨离子，同时使注入的电子因晶格畸变而局域化，形成小的极化子——这就导致了颜色从透明变为深蓝色，同时光学吸收也会显著增强。这种可通过电压控制的光学开关功能不仅为光声信号生成提供了一种全新且稳定的转导机制，还为同步驱动互补的电化学读出信号提供了直接途径。

电化学发光技术则是这种集成系统中极具吸引力的候选技术。虽然有多种法拉第过程可以被结合使用，但电化学发光技术能够通过局部的电化学反应产生独特的光学信号（Che等人，2021年），与基于声学的光声读出信号具有独特的协同效应。更为重要的是，电化学发光信号与光声信号都对控制电压驱动光学开关的相同界面电化学参数表现出极高的敏感性。这种共同的基础机制确保了施加电压时的调节作用能够同步调控这两种信号。为了在物理层面实现这种同步耦合，双极电极结构堪称理想框架：其空间上分离的阳极和阴极可分别进行独立的氧化还原反应，而其电中性特性则要求两极的法拉第电流在数值上保持相等（Li等人，2024b年；Li等人，2026年；Meng等人，2025年）。此外，这种结构还提供了将生物识别事件转化为同步信号响应的直接路径，即某一极点的目标诱导变化会改变共享的法拉第电流，进而同时调节光声信号与电化学发光信号的输出（Chen等人，2020年；Zhai等人，2016年）。这种内在的关联性不仅实现了信号之间的内在耦合，还为开发创新性的放大策略提供了思路，通过调节这种共享的电流或电阻来进一步提升检测灵敏度。

受上述理念启发，本研究基于封闭式双极电极结构，构建了一个以目标诱导的铜纳米簇介导的级联传感平台，该平台具备电化学发光与光声两种读出功能，可用于检测结直肠癌相关外泌体（Scheme 1）。在该设计中，阳极经过金属有机凝胶修饰，以有效催化鲁米诺/氧气的电化学发光反应，从而产生强烈且稳定的发光信号。阴极则通过依次整合电致变色材料氧化钨纳米片与银纳米粒子，被设计成一种双功能传感界面。当目标外泌体出现后，修饰过的阴极上会启动邻近杂交检测反应，进而引发滚环扩增级联反应。这一扩增步骤会产生大量带有铜纳米簇标记的单链DNA探针，这些探针会在含有溴离子的酸性环境中将导电的银纳米粒子转化为低导电性的银溴化物。这种蚀刻反应会破坏阴极的双重功能：由于降低了银纳米粒子的导电性，它也削弱了氧化钨纳米片的电致变色效率，进而降低了光声信号强度。与此同时，导电性降低的银纳米粒子所催化的氢气生成反应，也会因为双极电极的电中性特性而导致阳极电化学发光信号的强度下降。正如预期的那样，这种级联效应会将单一的结合事件转化为声学信号与光学信号的成比例衰减，从而为外泌体的定量检测提供可靠的“信号关闭”响应。这一基于电致变色切换、双极电极同步控制的光声-电化学发光平台的成功实现，有望推动人们重新审视各类功能材料在新型信号转导中的应用潜力，进而加速开发出稳定且具备自我验证功能的诊断系统。

章节节选

金属有机凝胶的制备

金属有机凝胶是通过一种简单的一步混合方法制备而成的（Zhang等人，2022年）。首先，将0.02毫摩尔的2-氨基对苯二甲酸超声分散在175微升的超纯水与乙腈的混合液中（体积比为1:1）。接着，加入0.01毫摩尔的硝酸铁，将其充分混合到上述溶液中，静置一段时间后，就会形成一种深棕色的凝胶，这种凝胶可直接用于后续的改性处理。

氧化钨纳米片与银纳米粒子的制备

氧化钨纳米片与银纳米粒子的制备方法与之前的研究类似，仅有一些细微调整

材料的表征

通过多种互补技术对所合成样品的形态、尺寸分布及结构特征进行了表征。如图1A所示，氧化钨材料呈现出明显的片状纳米结构，具有清晰的几何边缘和规则的轮廓。这些片状结构的横向尺寸大约在150到300纳米之间。这种独特的形态使得该材料的比表面积较高，而片状结构的锐利边缘则被认为有助于提升其性能

结论

总而言之，电致变色材料可作为高效的电压调控型转导器，能够在集成传感平台中实现电化学信号、光学信号与声学信号的内在耦合。这一原理在双极电极结构中的银纳米粒子/氧化钨纳米片双功能阴极中得到了体现——在该结构中，单一的阴极还原过程既能通过银纳米粒子催化的氢气生成反应增强电化学发光信号，又能通过电致变色效应产生光声响应。而目标物质诱导的银纳米粒子向银溴化物的转化则会破坏这两种功能

CRediT作者贡献说明

黄一田：论文撰写——初稿撰写、验证、研究分析、数据整理。张书培：论文撰写——审阅与编辑、验证、研究分析、数据整理。戴鸿：项目指导、项目管理、方法设计。李博勋：论文撰写——初稿撰写、方法设计、研究分析、正式分析、概念构思。高立红：论文撰写——初稿撰写、项目指导、方法设计、研究分析、正式分析

备注

所有作者声明不存在任何利益冲突。

利益冲突声明

所有作者均声明不存在任何利益冲突。

致谢

我们衷心感谢以下机构的资金支持：中国浙江省自然科学基金的联合资助项目，项目编号为QZSZ24B050001；中国国家自然科学基金项目（编号为21877012、21575024）；中国衢州市科学技术局的科技攻关项目（编号为2024K155）；以及中国浙江省教育厅的普通科学研究计划项目（编号为Y202353322、Y202353524）。

张书培|黄一田|高立红|李博勋|戴鸿

中国浙江省衢州市324000，衢州大学化学与材料工程学院