硼/钠共掺杂增强了TiO?纳米纤维的相变，并提高了光电化学核酸氧化检测的灵敏度

《Analytica Chimica Acta》：Boron/sodium co-doping enhances phase transformation in TiO 2 nanofibers and amplifies photoelectrochemical nucleic acid oxidation detection

氧化损伤检测；B/Na共掺杂TiO?纳米纤维；光电器化学；鸟嘌呤氧化；溶胶-凝胶电纺

　　

雅库普·阿尤克特|乌米特·科克

摘要

背景

遗传分子中的氧化损伤会破坏细胞功能，并对生物体的健康造成长期风险，这凸显了需要早期、快速和灵敏的检测方法。早期和精确地检测这些遗传分子中的氧化损伤可以采取必要的预防措施，并尽早开始治疗过程，从而挽救患者的生命。电化学方法常用于氧化检测和分析。电化学测量中使用的电极性能对传感器的灵敏度至关重要。最近的研究表明，通过在电极中使用纳米材料可以显著提高传感器的灵敏度。

结果

在这项研究中，通过溶胶-凝胶电纺工艺制备了掺硼/钠的TiO₂纳米纤维，并用于光电化学（PEC）检测遗传分子中的鸟嘌呤氧化。与原始TiO₂纳米纤维相比，掺B/Na的结构在黑暗、阳光和紫外线照射下显示出显著增强的氧化信号。系统研究表明，增加掺杂量可以促进可控的锐钛矿向金红石相的转变，而过量掺杂会破坏TiO₂的晶体结构。此外，较高的烧结温度也有助于适当的相变。重要的是，含有混合锐钛矿-金红石成分的纳米纤维对鸟嘌呤氧化的检测灵敏度最高。

意义：通过使用简单的一步溶胶-凝胶电纺方法，我们证明了通过调整掺杂量和烧结条件可以精确调节锐钛矿向金红石的转变。这种结构调制显著增强了鸟嘌呤氧化的PEC检测灵敏度。这些发现表明结构调制与生物传感性能之间存在直接关联。所提出的方法为设计多功能氧化物纳米纤维以用于早期遗传氧化诊断提供了可扩展的途径，为下一代生物医学监测和精准医疗提供了新的机会。

引言

遗传分子中的氧化相关损伤会对生物体产生不利影响，并危及它们的未来。遗传分子中的氧化会导致DNA损伤等严重后果，如衰老[1]、突变[2]和癌症[3]。与其他四种碱基相比，鸟嘌呤碱基更容易被氧化[3]。早期、快速和灵敏地检测鸟嘌呤氧化的存在和程度对于尽早采取必要措施至关重要。文献中报道了多种鸟嘌呤氧化的检测和分析方法，包括高效液相色谱结合电化学检测（HPLC-ECD）[4]、定量聚合酶链反应（qPCR）[5]、气相色谱-质谱（GC-MS）[6]和电化学[7]方法。电化学鸟嘌呤氧化检测是一种非侵入性方法，可以从从体液提取的遗传分子中检测到碱基的氧化[8]、[9]。

在电化学测量中使用了不同类型的电极来检测鸟嘌呤氧化，包括碳浆电极、铅笔石墨电极和丝网印刷电极（SPEs）。这些电极可以直接使用，也可以通过各种材料进行修饰以提高生物传感器的灵敏度。特别是，纳米结构材料近年来受到了极大关注，因为它们具有较大的比表面积，可以与分析物有更多的相互作用，而且它们的内在和表面特性也有利于特定的测量。干净的碳浆电极已被用于寡核苷酸的氧化观察[10]。使用钴六氰铁酸盐改性的碳浆电极观察到了鸟嘌呤的电催化氧化，并且通过使用该改性系统看到了氧化信号的显著放大[11]。铅笔石墨是另一种在市场上容易获得的电极，可用于通过电化学方法检测鸟嘌呤氧化。使用氧化石墨烯铅笔石墨电极进行了无标记的敏感DNA杂交表征，重点关注鸟嘌呤氧化峰[12]。导电聚合物被用来修饰铅笔石墨电极，从而灵敏地检测到了鸟嘌呤氧化信号[13]、[14]。在另一项研究中，使用经过电纺纳米纤维涂层处理的铅笔石墨电极并在循环伏安法测量后报告了鸟嘌呤氧化信号的增强[15]。如今，改性和干净的SPEs也被广泛用于电化学鸟嘌呤氧化测量[16]。石墨闪亮的SPEs被用于从人唾液中检测鸟嘌呤和腺嘌呤[8]。将具有各种性质的电纺碳纳米纤维固定在SPEs上，并用于通过差分脉冲伏安法测量检测鸟嘌呤氧化[17]、[18]。

二氧化钛是一种光活性材料，单独使用或与掺杂物质结合使用时可以提高设备的性能[19]、[20]、[21]、[22]、[23](Crossland等人2013；Scanlon等人2013；Wang等人2023；Chen等人2024；Zhou等人2025)。原始二氧化钛吸收紫外线，其吸收带可以通过掺杂材料扩展。通过非金属掺杂（如硫[24]、磷[25]、硅[26]和硼[27]）可以将TiO₂的光活性扩展到可见光区域。Wamer等人观察到，当DNA暴露于UV辐射（UVA，320–400 nm）时，如果DNA分子与TiO₂一起置于溶液中，鸟嘌呤会发生羟基化，且羟基化的程度会受到光照强度和悬浮液中TiO₂量的影响[28]。Petersen等人使用光激活的TiO₂纳米粒子观察到了DNA的损伤，并通过稳定同位素稀释气相色谱/串联质谱观察了基因组DNA分子中氧化产生的碱基损伤的水平和类型[29]。他们报告说，当DNA分子在TiO₂纳米粒子中处于黑暗环境中24小时时没有观察到碱基损伤的形成，但当DNA分子暴露于紫外线或可见光下时，检测到了显著的损伤形成。Lu等人（2006）报道了在基于TiO₂的电极上对发夹DNA进行无标记的灵敏PEC杂交检测[30]。使用TiO₂/Au混合电极结构开发了一种增强的PEC生物传感器，用于检测目标DNA[31]。使用没食子酸-二氧化钛纳米复合材料系统对DNA分子上的鸟嘌呤氧化进行了伏安检测[32]。与未经改性的铅笔石墨电极相比，用壳聚糖-没食子酸-二氧化钛修饰表面后，鸟嘌呤氧化信号得到了增强。Trouiller等人研究了TiO₂诱导的小鼠DNA氧化损伤[33]。他们将TiO₂纳米粒子加入饮用水中并喂给小鼠，然后使用高效液相色谱测量从TiO₂纳米粒子处理和未处理的小鼠肝脏中提取的DNA分子中的8-羟基-2-脱氧鸟嘌呤水平，表明TiO₂纳米粒子诱导了肝脏中的氧化DNA损伤。

溶胶-凝胶电纺是一种有前景的技术，可以生产出短而连续的、纯净的掺杂TiO₂纳米纤维，具有非常广泛的性能[34]、[35]。之前已经通过使用硼酸作为前驱体，通过简单的电纺工艺制备了掺B的TiO₂纳米纤维，并证明与原始TiO₂纳米纤维相比，间隙掺杂B会产生氧空位并增加Ti³⁺浓度，从而提高电化学测量的灵敏度[36]。掺硼的TiO₂纳米粒子也显示出改进的光催化活性[37]、[38]。文献中的研究表明，向TiO₂中掺钠可以提供积极的光催化和光电性能优势[39]、[40]。

在这项研究中，通过溶胶-凝胶电纺制备了不同硼含量的TTIP/PVP/硼砂溶液，并在600°C下进行烧结处理，制备了掺B/Na的TiO₂纳米纤维。选定的前驱体纳米纤维还在400、500、650和800°C下进行了烧结。使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行了形态学表征。使用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、能量色散X射线光谱（EDX）和X射线光电子光谱（XPS）方法进行了化学和元素分析。通过对烧结过程的热重分析（TGA）方法对刚纺制的前驱体纳米纤维进行了热分析。通过X射线衍射和拉曼光谱方法研究了掺B/Na的TiO₂纳米纤维的微观和晶体结构。使用掺B/Na的TiO₂纳米纤维，在黑暗条件下以及阳光和紫外线照射下，通过电化学差分脉冲伏安法（DPV）方法观察了探针和杂交DNA分子上的鸟嘌呤氧化。

Jie等人报告说，自由基离子对经常触发DNA分子中的氧化损伤反应和光诱导的电子转移过程，并讨论了检测和表征这些物种的难度[41]。这项研究将利用掺B/Na的TiO₂纳米纤维研究指示剂依赖的光电化学氧化检测，通过调整掺杂量和烧结条件可以精确调节锐钛矿向金红石的转变和晶体缺陷结构的变化。研究的目的是探讨掺B/Na的TiO₂纳米纤维的结构调制如何影响光照下的电荷转移效率，并评估其在遗传分子中光电化学检测鸟嘌呤氧化方面的潜在改进。虽然已有关于将B和/或Na掺入纳米纤维或其他纳米形式的TiO₂结构中的研究[36]、[37]、[38]、[39]、[40]，但这是首次研究掺B/Na由于掺杂量和烧结温度对遗传分子中光电化学鸟嘌呤氧化检测的影响，以及光照下掺B/Na的TiO₂纳米纤维的晶体结构和电荷分离变化。

章节片段

掺B/Na的TiO₂纳米纤维的溶胶-凝胶电纺

通过溶胶-凝胶电纺工艺制备了掺B/Na的TiO₂纳米纤维。使用硼砂（Na₂B₄O₇·10H₂O）（Ay-Kim）作为硼和钠的来源。使用四异丙氧基钛（TTIP，97%，Aldrich）作为钛源。聚（乙烯基吡咯烷酮）（PVP，Mw ≈ 1,300,000，Across Organics）作为电纺过程中的载体聚合物。使用乙醇（Supelco，CAS号：64-17-5）和冰醋酸（Supelco）作为溶液制备的溶剂。

刚纺制的前驱体和掺B/Na的TiO₂纳米纤维的形态学分析

通过溶胶-凝胶电纺工艺制备了TTIP/PVP/硼砂前驱体纳米纤维，然后进行烧结以获得掺B/Na的TiO₂纳米纤维。使用SEM成像（图1_A-E）对不同硼含量的刚纺制TTIP/PVP/硼砂前驱体纳米纤维进行了形态学分析。详细的SEM图像以及相应的纤维直径分布和平均直径见支持信息（图S1）。原始的TTIP/PVP纳米纤维是

结论

通过一步溶胶-凝胶电纺路线成功制备了掺B/Na的TiO₂纳米纤维，并用于遗传分子中鸟嘌呤氧化的PEC检测。与原始TiO₂纳米纤维相比，掺B/Na的结构在黑暗、阳光和紫外线照射下显示出显著的鸟嘌呤氧化信号增强。结果表明，增加掺杂量和烧结温度可以促进可控的锐钛矿向金红石相的转变

CRediT作者贡献声明

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

本研究是由土耳其科学技术研究委员会（TUBITAK）资助的研究项目（项目编号119M079）的一部分。