基于自组装Cu?(BTC)?/TiO?界面的超灵敏"信号增强型"光电化学生物传感器用于实际水样中痕量Pb2?的监测

《Microchemical Journal》：Ultrasensitive “signal-on” photoelectrochemical aptasensor based on self-assembled Cu 3(BTC) 2/TiO 2 interface for trace Pb2+ monitoring in real water samples

　　

• 首次将Cu?(BTC)?基复合材料作为光电化学平台应用于痕量铅离子检测。• 协同整合DNAzyme扩增与激子-等离子体相互作用以提升灵敏度。• 基于加权最小二乘法（WLS）的校准框架，以最小化基质效应，确保结果的可重复性和可靠性。

引言

铅污染物的普遍存在，尤其是在食品和水源中，对环境安全和公众健康构成严重威胁[1], [2]。雪上加霜的是，Pb2?表现出累积性神经毒性[3]、致畸性[4]和致癌性[5]，且在工业废水、土壤系统和饮用水中的检出频率较高。长期暴露可能引发不可逆的中枢神经系统损伤、肾功能不全以及儿童认知缺陷，造成严重的生态和公共卫生风险[6], [7]。因此，迫切需要一种快速、灵敏且准确的检测机制，以应对环境中铅离子浓度的定期监测需求。在全球重金属残留标准日趋严格（例如世界卫生组织规定饮用水中Pb2?阈值为10 ppb）的背景下，常规分析技术如原子吸收光谱法（AAS）[8]和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）[9]面临固有局限。这些技术依赖精密仪器、样品前处理繁琐、运行成本高昂且无法实现实时现场监测，使其难以满足大规模环境筛查和快速现场监测的需求。因此，利用适配体识别的光电化学（PEC）传感器平台作为痕量Pb2?检测的替代方案应运而生，凭借其卓越灵敏度、高选择性、仪器便携性、快速响应动力学和极低的样品消耗量而备受青睐[10], [11], [12]。主流策略利用Pb2?与富含鸟嘌呤（G-rich）适配体的特异性结合，触发G-四联体结构形成以实现目标识别[13], [14]。尽管这些系统特异性有所提高，但它们主要依赖"信号关闭"机制——依靠电子转移抑制或空间位阻效应——存在固有缺陷，包括显著的背景干扰和信噪比下降[15], [16], [17]。相比之下，"信号开启"PEC传感器通过目标触发的信号放大展现出优越性能，有效最小化背景噪声。值得注意的是，DNAzyme驱动的策略通过特异性底物切割实现高效的信号转导[6], [18]。本研究选用GR-5 DNAzyme及其底物（最初由Liu和Lu鉴定[19]），因其对Pb2?具有卓越的催化活性和高特异性。

该系统以其高特异性著称，已被其他研究组广泛验证，例如近期利用金属有机框架/氧化石墨烯进行光学传感的研究[20]。我们此前的研究证实，此类方法可将检测灵敏度提高1–2个数量级[21]。

为实现高灵敏度的"信号开启"检测，必须解决两个关键挑战：(i) 构建精确可控的信号猝灭-恢复界面，(ii) 开发具有高效电荷分离和宽光谱吸收特性的光活性材料。单一半导体材料（如纯TiO?）固有的宽禁带（~3.2 eV）和严重的载流子复合从根本上限制了此类系统的灵敏度。为突破这一瓶颈，金属有机框架（MOF）因其超高比表面积、可调孔径结构和高效的载流子分离能力而被认为是理想的光活性材料候选者[22], [23]。例如，铜基MOF Cu?(BTC)?展现出宽可见光收集能力，吸收边延伸至600 nm[24]。Cu?(BTC)?与半导体（如TiO?）形成的异质结构产生内建电场，显著抑制电子-空穴复合，该特性在采用MOF衍生Cu?O-CuO-TiO?异质结的传感器中已得到验证[25], [26], [27]。然而，传统的物理混合方法制备MOF-半导体杂化材料往往导致界面接触不良和空间排列不可控，限制了电荷转移和信号调制的效率。近期研究进一步通过MOF集成复合材料和双模态传感策略拓展了PEC传感器设计，展示了Cu-MOF基材料在先进分析平台中的多功能性[28]。Cu?(BTC)?与半导体（如TiO?）形成的异质结构产生内建电场，显著抑制电子-空穴复合，该特性在采用MOF衍生异质结的传感器中已得到验证[28], [29]。

在本研究中，我们没有采用物理混合，而是创新性地采用层层自组装（LBL）策略在氟掺杂氧化锡（FTO）基底上构建了TiO?/Cu?(BTC)?分级架构。这种自组装电极设计具有两个关键优势：首先，它确保TiO?与Cu?(BTC)?之间的紧密界面接触，实现能级对准的精确调控和光吸收范围的拓展；其次，它建立了明确的空问排列，这对Cu?(BTC)?与金纳米颗粒（AuNPs）之间的激子-等离子体相互作用（EPI）的高效实现至关重要。值得注意的是，AuNPs与半导体之间的激子-等离子体相互作用（EPI）作为经典的PEC信号猝灭/恢复机制，其理论框架已通过福州大学唐典平教授团队的系统性工作得到了严格的建立和实验验证[30], [31], [32]。近期进展进一步表明，压电性与表面等离子体共振的协同增强可大幅提升生物传感应用的PEC性能[33]，且等离子体激发与等离子体诱导共振能量转移（PIRET）耦合是自供电PEC传感器中有效的信号放大策略[29]。

该机制表明，当AuNPs与半导体紧密接近时，它们通过能量转移途径高效猝灭光电流；相反，当特异性生物识别事件（如DNAzyme切割）导致AuNPs从半导体表面解离时，光电流得以恢复。这种空间精确性至关重要，因为EPI介导的信号调制效率高度依赖于AuNPs与半导体宿主之间的粒子间距[34]。

除材料创新外，稳健的数据处理方法对于复杂实际样品中的可靠定量分析至关重要。常规的最小二乘法（OLS）校准假设所有浓度范围内方差齐性，这在PEC传感中往往因异方差性（即信号方差随分析物浓度升高而增大）而被违反。加权最小二乘法（WLS）校准通过为方差较小的低浓度测量赋予更高统计权重来解决这一局限，有效最小化系统误差并提高定量可靠性。尽管WLS在分析化学中应用广泛，但其应用于PEC传感中的异方差数据校正尚未见报道。

Dong等人开创性工作表明，半导体异质结与贵金属纳米颗粒之间的激子-等离子体相互作用可与DNAase触发的信号放大有效耦合，实现高灵敏度PEC生物分析[35]，建立了基础性范式，直接启发了我们当前将EPI与DNAzyme切割整合用于"信号开启"Pb2?检测的设计。

本文报告了一种新型DNAzyme驱动的"信号开启"光电化学生物传感器（称为DSPA），用于超灵敏Pb2?检测。该传感平台建立在上述LBL自组装TiO?/Cu?(BTC)?分级架构之上，并以底物DNA（sDNA）进行功能化。纳米金功能化的聚酰胺胺树枝状大分子共轭发卡DNA（hDNA-Au/PAMAM）作为双信号放大元件。通过互补碱基配对，hDNA-Au/PAMAM与表面固定的sDNA杂交，形成Pb2?依赖的DNAzyme。这种杂交将AuNPs定位于自组装架构中Cu?(BTC)?的近距离范围内，实现EPI介导的光电流猝灭（"信号关闭"状态）。当引入目标Pb2?时，DNAzyme被特异性激活以切割sDNA链，将hDNA-Au/PAMAM共轭物从电极表面释放。AuNPs的脱离消除了EPI猝灭并减小空间位阻，导致光电流显著恢复（"信号开启"状态），且与Pb2?浓度成正比。进一步整合WLS校准模型以校正实际样品测量中的异方差性，确保稳健的定量性能。所开发的传感器在环境水和自来水样品中展现出优异的应用性，为痕量重金属监测提供了标准化、可靠的方法。

方案摘录

试剂与仪器

参见表1、表2。（参见方案1。）

寡核苷酸序列与设计

DNA寡核苷酸由上海生工生物工程有限公司合成和纯化。本研究使用的序列基于Liu和Lu最初报道的经典GR-5 DNAzyme系统设计[19]。GR-5 DNAzyme因其对Pb2?卓越的催化活性和高特异性而被选中。既往研究已证明GR-5对Pb2?的选择性比其他

FTO/TiO?/Cu?(BTC)?、Au/PAMAM的表征

利用SEM对修饰电极的表面形貌进行了表征。裸FTO电极、FTO/TiO?电极和FTO/TiO?/Cu?(BTC)?电极表面的SEM图像见图1A–C。裸FTO电极表面（图1A）均匀光滑。在电极表面沉积TiO?薄膜后，电极上出现大量均匀分布的TiO?纳米球形颗粒（图1B）。

为确认Cu?(BTC)?的成功合成，对其形貌进行了

结论

本研究开发了一种DNAzyme驱动的"信号开启"光电化学生物传感器用于痕量Pb2?检测。核心创新在于TiO?/Cu?(BTC)?分级架构的精确层层自组装，这不仅提高了电荷分离效率，还为激子-等离子体相互作用提供了明确的空问支架。重要的是，该传感策略将酶促识别与激子-等离子体相互作用协同：Pb2?激活的DNAzyme切割

CRediT作者贡献声明

Di Yang：原创草稿撰写，资金获取，数据整理。Jie Cai：验证，调查研究，形式分析，概念构思。Md Rayhan：软件，方法学。Qiuping Fu：验证，数据整理。Lulu Xiong：验证，形式分析。Danping Chen：审阅与编辑。Zhenchao Wang：审阅与编辑。Bingqian Liu：审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

感谢国家自然科学基金（21864007）、贵州省卫生健康委员会科技基金（gzwkj2025-472，gzwkj2025-109）、贵州省基础研究项目青年引航计划（黔科合基础QN[2025]008）和贵州大学基础研究项目（贵大基础[2024]41）的支持。我们感谢Editage（www.editage.cn）提供英文语言编辑服务。

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