多功能SnO?/SnS?/CdSe异质结与CuO纳米酶调控协同策略相结合，实现了乳腺癌基因的多模态生物传感

《Analytica Chimica Acta》：Multifunctional SnO 2/SnS 2/CdSe heterojunction coupled with CuO nanoenzyme-regulating synergistic strategy enable multimodal biosensing for breast cancer genes

　　

摘要

多模态检测在复杂生物基质中显著提高了检测准确性。本研究提出了一种基于多功能SnO₂/SnS₂/CdSe量子点异质结和CuO纳米酶调控协同策略的高效多模态生物传感器，实现了对乳腺癌相关BRCA1基因的超灵敏和特异性检测。首次构建了一种高性能光电化学（PEC）SnO₂/SnS₂/CdSe量子点异质结，有效增强了光吸收能力和光生载流子分离效率。该异质结产生的PEC信号约为纯SnO₂/SnS₂的3.75倍，约为CdSe量子点的11.3倍，实现了稳定的光电化学和电化学发光（ECL）双信号。值得注意的是，具有固有氧化酶样活性的CuO纳米酶通过目标诱导扩增策略被引入到传感界面，作为多功能信号调控单元。CuO纳米酶既能催化抗坏血酸的氧化，又能触发ECL共振能量转移效应。这一双重功能实现了PEC和ECL信号的同步"关闭"以及荧光信号的"激活"，构建了用于BRCA1检测的自验证三模态传感平台。所开发的生物传感器已成功应用于人血清样品中BRCA1的定量检测。该报道为乳腺癌早期临床诊断及其他重要疾病生物标志物的检测提供了一个有前景的多功能平台。

引言

乳腺癌对全球女性健康构成重大威胁[1]、[2]、[3]，其早期精确诊断仍是临床实践和研究中的核心挑战。在众多遗传标志物中，BRCA1基因至关重要，因为其突变状态是评估遗传性乳腺癌风险的关键指标，已被广泛用于该疾病的早期辅助诊断[4]、[5]、[6]。因此，开发一种能够超灵敏、高特异性和可靠地检测痕量BRCA1的技术平台，对于推进癌症早期预警、风险分层以及个性化诊断和治疗具有重要的实用和临床价值[7]、[8]。为应对这一挑战，已开发了一系列先进的生物传感技术。近年来，指数等温扩增[9]、反射干涉傅里叶变换光谱[10]、差分脉冲伏安法（DPV）[11]、电化学分析[12]、拉曼光谱[13]、计时电流法[14]、荧光检测[15]和纳米孔技术[16]等方法已逐步应用于BRCA1检测。然而，目前这些方法往往受限于程序复杂、仪器昂贵和灵敏度不足等缺点。因此，迫切需要一种新的BRCA1检测策略。

光电化学（PEC）生物传感器作为一种新兴的微量分析技术，由于激发信号和检测信号本征分离，具有显著优势。它们具有低背景噪声、超高灵敏度和易于微型化的特点[17]、[18]、[19]。电化学发光（ECL）技术无需外部光激发，反应过程易于控制，在生物分析方面也展现出可观的潜力[20]、[21]、[22]。两种技术都具有高灵敏度、操作简便和成本低廉等优点，已被广泛应用于生物分析和临床诊断[23]、[24]、[25]。传统传感器主要依赖PEC或ECL信号变化的单模态检测，这可能导致假阳性或假阴性结果[26]、[27]、[28]。为克服单模态检测的局限性，双模态检测策略被广泛提出。通过利用两种不同响应机制之间的相互验证，该方法有效提高了传感平台的准确性。例如，Du等人构建了基于CdS量子点/g-C₃N₄的PEC-ECL双模态生物传感平台用于检测副溶血性弧菌[29]。Hu等人开发了一种用于检测热休克蛋白90AA1的PEC-化学发光双模态自供能传感平台[30]。Wang等人利用近红外光驱动的PEC-光热生物传感器检测了多种癌症中高表达的小非编码miRNA-21[31]。Ren等人开发了一种用于检测霉变作物中伏马菌素B1的PEC-荧光双模态传感器[32]。最近，为进一步提高传感平台的准确性和可靠性并大幅扩大其应用范围，三模态传感平台引起了广泛的研究兴趣[33]。

构建高性能光活性基底是实现上述多模态检测的关键前提。二维（2D）层状纳米材料与其他低维材料的结合可产生具有高比表面积的异质结构。此类结构具有丰富的活性位点，使其在催化和光电化学（PEC）应用中极具吸引力[34]、[35]。然而，其宽带隙特性和快速载流子复合问题制约了光电转换效率的提升。构建基于SnO₂的异质结构是增强光致电子-空穴分离的有效策略。SnO₂/SnS₂异质结可通过其内建电场有效驱动载流子分离[36]、[37]。在此基础上，引入具有高荧光量子产率的窄带隙CdSe量子点进一步缩短了光致输运距离并暴露了更多活性中心[38]。所得SnO₂/SnS₂/CdSe量子点三元异质结构精确调控了能带结构，显著拓宽了光捕获范围，并优化了电子转移路径。该构型使PEC信号相比SnO₂/SnS₂提高了约3.75倍，相比单独的CdSe量子点提高了11.2倍。该结构表现出显著的光电协同增强效应，不仅提高了传感器的灵敏度，还赋予其增强的多功能性。

有效的信号放大策略对于提高光电化学（PEC）传感器的灵敏度至关重要[39]。存在多种信号放大方法，其中酶介导反应尤为引人注目。生物催化沉淀和电子供体生成是此类反应的典型示例[40]。氧化铜纳米催化剂（CuO NPs）因其优越的酶模拟催化活性，作为抗坏血酸氧化酶模拟物展现出巨大潜力[41]、[42]。在机理方面，CuO纳米催化剂以氧气为氧化剂，高效介导抗坏血酸（AA）的氧化，生成脱氢抗坏血酸（DHAA）。所得DHAA与邻苯二胺（OPDA）反应，生成3-(1,2-二羟基乙基)呋喃并[3,4-b]喹喔啉-1-酮（DFQ）。该化合物表现出强烈的荧光。

本研究提出了一种基于SnO₂/SnS₂/CdSe量子点三元异质结和CuO纳米酶的新型多模态生物传感器，用于超灵敏检测BRCA1基因。如图1所示，将SnO₂/SnS₂/CdSe量子点异质结修饰到电极上，作为PEC和ECL信号源。同时，发夹H1通过Cu-N键与共轭在碳球上的CuO纳米酶（CuO@CSs）连接，制备H1-CuO探针。在目标BRCA1存在时，电极上的发夹H2被特异性打开，随后捕获H1-CuO探针。释放的BRCA1同时参与下一轮循环以实现信号放大，最终在电极上富集大量CuO@CSs。电极上的CuO纳米酶发挥双重调控功能。一方面，催化氧化AA生成DHAA。另一方面，通过能量转移猝灭SnO₂/SnS₂/CdSe量子点的ECL信号。同时，氧化产物DHAA与溶液中的OPDA反应，生成强荧光产物DFQ，实现增强的荧光信号。由此，PEC和ECL信号同步"关闭"，而荧光信号被"激活"，实现三模态检测。该传感器表现出优异的灵敏度、选择性和稳定性。三种信号可以相互交叉验证，大大提高了检测可靠性。本工作为开发生物分析用高性能多模态传感平台提供了一种新策略。

章节摘要

实验部分

试剂与材料、仪器、一维/二维SnO₂/SnS₂的合成、碳球的合成、DNA序列、聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）、生物传感器的扫描电镜、多模态传感器生物传感器的稳定性和重复性分析均见补充材料。

合成材料的表征

采用透射电子显微镜（TEM）考察了所制备的SnO₂/SnS₂/CdSe量子点异质结构的形貌。如图1A-B所示，在片状SnS₂纳米结构上观察到了大量SnO₂纳米棒。高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM，图1C）进一步揭示了异质结的详细结构，显示片状结构与纳米棒之间存在紧密接触。晶格条纹测量表明

结论

创新性地探索了新型多信号高性能光电化学SnO₂/SnS₂/CdSe量子点和多功能CuO纳米酶，并通过灵活组合基于其协同作用开发了一种新型多模态生物传感器，实现了对乳腺癌基因BRCA1的灵敏和特异性PEC、ECL和荧光检测。首先，SnO₂/SnS₂/CdSe量子点异质结有效促进了光生载流子的分离和传输，提供了强而稳定的PEC和ECL

CRediT作者贡献声明

吴鹤：撰写——初稿。解桂芬：撰写——审阅与编辑。周建伟：验证、调查。朱文渊：形式分析、数据整理

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

感谢山东省自然科学基金项目ZR2025MS111提供的财务支持。

吴鹤 | 周建伟 | 朱文渊 | 解桂芬

青岛科技大学化学与分子工程学院，教育部生命科学与分析化学光电传感重点实验室，中国青岛 266042