基于等离子体金纳米颗粒修饰的无氟阳极TiO?一维纳米管阵列的光电化学传感平台，用于细胞培养基中痕量H?O?的检测

《Microchemical Journal》：Photoelectrochemical sensing platform based on plasmonic Au nanoparticle-decorated fluoride-free anodic TiO 2 one-dimensional nanotube arrays for trace level H 2O 2 detection in cell culture media

• 无氟的阳极氧化TiO2纳米管，表面装饰有Au纳米颗粒。
•等离子体Au@TiO2异质结构增强了可见光响应。
• 优化的Au负载量提高了电荷分离效率。
• 具有6 nM的检测限，对H2O2具有高敏感性。
• 在生物培养基中表现出优异的性能。

**引言**
癌症仍是全球主要的死亡原因之一，2023年约有1000万人因此丧生[1]。持续的生活方式变化、工业化、经济发展和饮食结构转变预计将进一步增加全球癌症负担，到2040年，每年新发病例和死亡人数预计将分别达到2990万和1530万[2]。这一趋势凸显了改进诊断和治疗策略的紧迫性。癌症是一种受遗传、环境和生化因素影响的复杂疾病。其中，细胞氧化还原稳态的破坏在肿瘤的发生、进展和转移中起着关键作用。这种失衡主要是由活性氧（ROS）的过度产生引起的，包括过氧化氢（H2O2）、单线态氧（1O2）、羟基自由基（•OH）和超氧阴离子自由基（•O2?）。在生理水平上，ROS调节着新陈代谢、增殖、分化、抗氧化防御、DNA修复和免疫反应等基本细胞过程[3]。然而，ROS的过量积累会导致氧化应激，从而损害DNA、蛋白质和脂质，扰乱基因表达，并激活与癌症发展相关的信号通路。ROS来源于内源性和外源性来源。内源性ROS通过线粒体呼吸、炎症细胞和酶促反应产生，而外源性ROS则来自环境污染物、辐射、酒精摄入、烟草烟雾和化学物质暴露。由于ROS与氧化应激和癌症进展密切相关，它们已成为疾病诊断和监测的重要生物标志物。其中，H2O2因其相对较长的半衰期、膜穿透性和在癌症相关信号通路中的关键作用而特别引人注目。

在ROS中，H2O2尤为重要，因为它具有较高的稳定性、较长的半衰期以及能够穿过细胞膜的能力。与高反应性的自由基不同，H2O2可以在细胞内部分区之间迁移并到达细胞核，在那里它可能引起DNA氧化损伤并促进肿瘤发展。除了其氧化作用外，H2O2还作为关键的信号分子调控细胞增殖、分化、存活和凋亡[4]。癌细胞通常由于新陈代谢增强、线粒体功能障碍和氧化还原稳态破坏而表现出较高的H2O2水平。H2O2水平的增加可以激活与肿瘤生长、血管生成、侵袭和转移相关的信号通路，同时使癌细胞更容易受到氧化应激的影响。因此，H2O2已成为癌症诊断、预后和治疗监测的有希望的生物标志物。

准确的H2O2检测对于理解疾病进展和细胞氧化还原调节至关重要。在哺乳动物细胞中，H2O2浓度通常在纳摩尔（nM）到微摩尔（μM）范围内[5]。然而，由于其低丰度、高反应性和不稳定性，在复杂的生物环境中进行可靠检测具有挑战性。已经采用了多种分析技术，包括高效液相色谱（HPLC）、液相色谱-质谱（LC-MS）、酶联免疫吸附测定（ELISA）和电化学方法来测定H2O2[6]。然而，这些方法往往需要昂贵的仪器、耗时的程序和复杂的样品制备，限制了快速和实时分析。此外，样品处理过程中的H2O2降解可能会降低分析准确性。因此，需要敏感、选择性和快速的传感平台来在生物系统中可靠地检测痕量水平的H2O2。光电化学（PEC）传感作为一种将光化学激发与电化学检测相结合的有前景的分析方法应运而生。与传统的电化学方法不同，PEC传感使用光作为激发源，电流作为检测信号，有效降低了背景干扰并提高了信噪比[7]。当受到足够光子能量的照射时，光活性材料会产生电子-空穴对，这些对会被分离并传输到电极界面参与氧化还原反应。目标分析物可以调节这些界面电荷转移过程，产生浓度依赖性的光电流响应[8]。由于PEC性能很大程度上取决于光活性材料，因此人们投入了大量努力来开发具有改进的光吸收、电荷分离和转移动力学的半导体纳米结构和异质结构。纳米技术的进步使得能够精确调控材料组成、形态和电子结构，显著提高了PEC性能。因此，PEC传感为在复杂基质中检测生物分子、环境污染物和疾病相关生物标志物提供了敏感可靠的平台[9]。

PEC传感器的性能强烈依赖于光活性材料的结构、光学和电子特性。由于TiO2、ZnO、Cu2O、MoS2和基于Bi的化合物等半导体具有良好的光催化和光电化学特性，因此已被广泛研究[10]。在这些材料中，TiO2特别具有吸引力，因为它具有高光催化活性、优异的化学稳定性、低毒性和环境相容性[10]。一维（1D）TiO2纳米管阵列具有额外的优势，如较大的表面积、高的光稳定性、丰富的活性位点和直接的电荷传输路径[11]。它们高度有序的管状结构有助于电荷分离和界面反应，使得TiO2纳米管成为光催化、太阳能转换和PEC传感的有前途的光电极。在含氟电解质中对Ti进行电化学阳极氧化是制造TiO2纳米管阵列的常用方法，因为氟离子有助于Ti的溶解和纳米管的形成。然而，基于氟的电解质的毒性引发了环境、健康和废物处理问题[12]。因此，基于磷酸盐、硫酸盐或硝酸盐的无氟电解质已成为更环保、更安全的TiO2纳米管制备替代品[13]。与氟辅助溶解不同，这些系统中的纳米管生长主要受氧气泡模机制的控制。在阳极氧化过程中在Ti表面产生的氧气泡作为动态模板，引导TiO2在气泡周围生长，最终通过自下而上的过程产生垂直排列的纳米管[14]。因此，无氟阳极氧化为构建有序的TiO2纳米管光电极提供了一种环境友好的策略，同时保持了适合后续修饰和PEC传感应用的结构特征。

尽管TiO2具有许多有利特性，但它也存在一些内在限制，限制了其PEC性能。其宽的带隙（约3.0–3.2 eV）主要将光吸收限制在紫外线区域（λ ≤ 420 nm），导致可见光的利用效率低和光能转换效率低[15]。此外，光生电子-空穴对的快速复合降低了电荷分离效率，而化学计量的TiO2相对较高的电阻限制了电荷传输和界面电子传输动力学[16]。为了解决这些限制，已经探索了多种修饰策略，包括表面等离子体共振（SPR）增强[17]、元素掺杂[18]、半导体异质结工程[19]和用功能性材料进行敏化[20]。这些方法可以扩大光吸收范围，促进电荷分离，并改善界面电荷传输。然而，一些修饰方法涉及复杂的制备过程或重现性和稳定性有限。因此，开发具有增强可见光吸收和电荷传输特性的高效可靠TiO2基异质结构仍是一个重要的研究目标。

在这些策略中，用贵金属纳米颗粒（包括Au、Ag和Pt）进行修饰对增强基于TiO2的光电极特别有效[21]。它们的高电导率和等离子体特性可以改善光吸收和载流子动力学。表面等离子体共振源于在共振光激发下传导电子的集体振荡，产生的局部电磁场增强了光与物质的相互作用[22]、[23]、[24]。当与TiO2结合时，等离子体纳米颗粒将光吸收范围扩展到可见光区域，并形成促进电荷分离的金属-半导体异质界面。特别是，贵金属可以作为电子受体，促进界面电子转移并抑制电子-空穴复合。等离子体诱导的局部电磁场可以进一步增强电荷生成和传输，从而提高光电流和PEC活性[25]。因此，等离子体贵金属/TiO2异质结构为克服TiO2的内在光学和电子限制以及提高其PEC性能提供了有效策略。

在这项工作中，使用等离子体Au纳米颗粒修饰的无氟TiO2纳米管阵列开发了一个环保的PEC传感平台。Au/TiO2异质结构结合了有序TiO2纳米管的大表面积和高效的电荷传输能力以及等离子体Au纳米颗粒的可见光吸收能力。它们的协同作用增强了光吸收、电荷分离和界面电荷传输，从而在复杂的生物环境中实现了改进的PEC活性和灵敏的H2O2检测。鉴于H2O2在氧化应激和癌症相关过程中的重要作用，该平台在痕量细胞H2O2监测、生物医学传感和未来的癌症诊断应用方面显示出潜力。

**材料清单**
三水合氯化金(III) (HAuCl4·3H2O)、硝酸钾 (KNO3)、过氧化氢 (H2O2)、磷酸二钠 (Na2HPO4)、磷酸二氢钠 (NaH2PO4)、多巴胺 (DA)、抗坏血酸 (AA)、尿酸 (UA)、葡萄糖 (Glu) 和直径0.25 mm、纯度99.5%的钛丝从Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）购买。乙醇 (C2H5OH, 95%) 和盐酸 (HCl) 从J.T. Baker（美国新泽西州菲利普斯堡）获得。所有试剂均为分析级。

**结果与讨论**
为了研究等离子体Au纳米颗粒修饰的无氟阳极氧化TiO2纳米管阵列（Au@TiO2-600）的元素分布，在TPS 23 A光束线上进行了基于同步辐射的多功能硬X射线纳米探针（XNP）分析。TiO2-600和Au-x@TiO2-600的元素映射（图2）显示Au在TiO2表面均匀分布，证实了Au的成功掺入和Au/TiO2异质结构的形成[26]。Au负载量对...的影响...

**结论**
在这项工作中，成功开发了一个基于等离子体Au纳米颗粒修饰的TiO2纳米管阵列（Au@TiO2-600）的高性能PEC传感平台，用于灵敏的H2O2检测。全面的结构、电子和光学表征证实了具有调控缺陷状态和增强界面电荷传输特性的Au/TiO2异质结构的成功形成。优化的Au-0.45@TiO2-600电极表现出优越的PEC活性，因为...

**作者贡献声明**
Yu-Chun Chen：资源、方法论、研究、形式分析、数据管理。
Ming-Hong Li：资源、研究、形式分析、数据管理。
Cheng-Chung Chen：方法论、研究、数据管理。
Yan-Hua Chen：方法论、研究、数据管理。
Je-Wei Chang：数据管理、研究、方法论。
Yu-Shiuan Huang：方法论、形式分析、数据管理。
Bi-Hsuan Lin：资源、方法论、数据管理。
Wei-Lun Wei：数据管理、研究。

**致谢**
本研究得到了国家科学技术委员会（NSTC）和台中 Veteran General Hospital（TCVGH）的支持（NSTC 112-2221-E-239-001-MY3, NSTC 115-2221-E-239-009-, NSTC 114-2221-E-239-005-, TCVGH-NUU1148901, 和 TCVGH-NUU1158903）。本研究还得到了国家科学技术委员会（NSTC）的支持，并得到了台湾国立中兴大学仪器中心的额外技术支持，用于FESEM、TEM和XPS表征。

**作者名单**
Yu-Chun Chen | Ming-Hong Li | Cheng-Chung Chen | Yan-Hua Chen | Je-Wei Chang | Yu-Shiuan Huang | Bi-Hsuan Lin | Wei-Lun Wei | U-Ser Jeng | Shu-Chih Haw | Chun-Jen Su | Lo-Yueh Chang | Jun-Hong Lin | Hung-Yu Lin | Han-Wei Chang | Hsien-Hsu Hsieh | Yu-Hsuan Lin