带隙驱动的3,4,9,10-苝四羧酸光电化学性能动态调节及其生物传感研究

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Band gap - driven dynamic regulation of photoelectrochemical performances of 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid and biosensing research

提出带隙驱动动态调节策略（BGDDRS）调控3,4,9,10-四羧基菲环烯四酸（PTCA）光电化学性能，筛选出pH 3.0的PTCA-b作为光活性材料，结合非共价DNA催化反应（NCDCR）构建miRNA21检测传感器，线性范围10 aM-10 pM，检测限2.7 aM。

Fangjing Mo|Min Chen|Gui Zhang|Li Song|Qian Han|Wanqing Yu|Yingzi Fu

摘要

我们提出了一种基于带隙驱动的动态调节策略（BGDDRS），用于连续且可逆地调节3,4,9,10-苝四羧酸（PTCA）的光电化学（PEC）性能。通过BGDDRS选出的最佳PTCA物种被用于构建用于检测微小RNA 21（miRNA 21）的PEC生物传感器。作为一种多酸，PTCA在不同pH值下会呈现多种形式。每种PTCA物种内的不同质子化程度对π-π堆叠相互作用和聚集行为起着关键作用，从而导致不同的带隙，这是通过控制光生电子-空穴对分离来评估光活性材料PEC性能的重要参数。此外，在特定pH值下，PTCA可以呈现单一物种或多种物种的混合物，从而实现PEC行为的连续且可逆的调节。与PTCA-a（pH = 1.0）、PTCA-c1和PTCA-c2（pH = 4.0）、PTCA-d（pH = 5.5）以及PTCA-e（pH = 11.0）相比，PTCA-b（pH 3.0）显示出更优的光电流。我们使用PTCA-b作为光电极材料，并结合非共价DNA催化反应（NCDCR）作为核酸信号放大策略，开发出一种能够敏感检测miRNA 21的PEC生物传感器，其线性范围为10 aM-10 pM，检测限为2.7 aM。BGDDRS的调节过程是连续且可逆的，有望成为其他多酸光电性能动态调节的通用方法。

引言

基于光子到电能的转换，光电化学（PEC）生物传感器正发展成为一种新兴的分析技术，它具有操作简单、背景信号低、便携性强和检测灵敏度高的优点[1]、[2]、[3]、[4]。作为芳香族有机染料家族的一员，3,4,9,10-苝四羧酸（PTCA）具有可调的带隙、优异的成膜性能以及在PEC性能方面的巨大潜力[5]。将PTCA的带隙调整到适当的值对于获得优异的PEC性能至关重要[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。研究人员通过改变PTCA的分子结构来调节其带隙。此外，经过肼功能化的PTCA具有适当的带隙，可以抑制电子-空穴复合，从而实现高密度的电子流动[11]。通过季铵化处理制备的阳离子N,N-双(2-(三甲铵碘化物)-丙烯)苝-3,4,9,10-四羧二亚胺具有狭窄的带隙，可以提高PTCA的PEC响应[12]。除了这些方法外，还报道了多种外部修饰方法。金纳米颗粒（Au NPs）被认为可以显著提高PTCA的PEC性能，这归因于它们对光子的吸收、热载流子的注入和激发以及Mott-Schottky结的形成[13]、[14]。然而，这些带隙调节方法存在程序复杂、外部修饰分子量不稳定以及难以控制光活性材料的PEC响应稳定性和PEC生物传感器准确性的问题。寻求操作简单、调节快速且不受外部污染影响的策略仍然是一个具有挑战性的目标。PTCA在不同pH值下呈现不同的物种，在碱性条件下脱质子化后PTCA会发出透明的黄绿色荧光，而在酸性条件下由于内在的聚集效应几乎不发光。此外，PTCA分子中-COOH和-COO^-基团的比例会随pH值的变化而变化，这会影响PTCA分子间的π-π堆叠相互作用，从而导致不同的聚集状态和能量带结构[15]、[16]。除了荧光差异外，由带隙驱动的PTCA是否还会带来其他神奇现象呢？

微小RNA（miRNA）是一类由19到25个核苷酸组成的小分子非编码RNA，它们在基因表达和细胞增殖中起到重要的转录后调节作用[17]、[18]。微小RNA 21（miRNA 21）已被证实与多种疾病及其相关过程有关[19]、[20]，例如乳腺癌[21]、结直肠癌[22]等。因此，对miRNA 21的敏感和准确检测对于疾病的早期诊断至关重要。核酸信号放大技术能够实现指数级的信号放大，在生物传感器的分析灵敏度中起着关键作用[23]、[24]、[25]。目前，信号放大方法主要以非共价DNA催化反应（NCDCR）的形式快速发展，其中单链DNA（ssDNA）分子催化多链复合物释放ssDNA产物[26]、[27]、[28]。与传统的NCDCR不同，Winfree及其同事提出的新NCDCR是由熵驱动的，具有两个特征：无需酶和无需共价键[23]、[24]、[29]。同时，NCDCR对目标序列突变具有敏感性，并且对各种杂质和分子噪声具有鲁棒性，是一种有吸引力的生物传感器信号放大策略。

在这里，我们提出了一种基于带隙驱动的动态调节策略（BGDDRS）来筛选PTCA的PEC性能，并选择了PTCA-b（pH 3.0）作为构建miRNA 21检测敏感生物传感器的优选物种，同时结合NCDCR作为信号放大器。PTCA的质子化程度随pH值的变化而变化，这会调节PTCA分子中-COOH和-COO^-基团的比例以及PTCA分子间的π-π堆叠相互作用，从而实现不同的带隙和PEC性能。通过BGDDRS的调节是可逆的：当测试条件保持一致时，PEC信号仅由pH值决定，无论pH值是从较小值变为较大值还是从较大值变为较小值。BGDDRS的调节是连续的：在特定pH值下，PTCA可以呈现单一物种或多种物种的混合物，因此PEC信号和带隙会连续变化。此外，BGDDRS具有简单的操作程序、固定的修饰化学基团量以及几乎无副反应，这为筛选优异的光活性材料提供了新的途径。

材料与试剂

3,4,9,10-苝四羧酸二酐（PTCDA）、氯金酸（HAuCl₄）、抗坏血酸（AA，99%）和6-巯基-1-己醇（MCH）均购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。[Fe(CN)₆]^3-/4-溶液由K₄Fe(CN)₆和K₃Fe(CN)₆制备。0.1 M磷酸盐缓冲液（PB，pH 7.4）含有0.1 M KCl，由Na₂HPO₄和KH₂PO₄组成。10 mM TE缓冲液（Tris-HCl，1 mM EDTA，pH 8.0）用于储存所有寡核苷酸。10 mM STE缓冲液（Tris-HCl，150 mM NaCl，1

各种PTCA物种的特性

根据扫描电子显微镜（SEM，图2和图S1）和透射电子显微镜（TEM，图S2）图像[31]、[32]、[33]，随着pH值的增加，PTCA的形态从规则的棒状变为无定形。当pH接近3.0时，条带的两端变细；当pH大于3.0时，逐渐变粗。傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）用于说明不同PTCA物种的结构变化（图S3）

结论

总之，我们提出了一种通用的BGDDRS方法，用于连续且可逆地筛选具有高PEC性能的PTCA物种。PTCA的PEC性能取决于带隙，而带隙由pH值调节的PTCA分子间的π-π堆叠相互作用决定。选定的最佳物种是PTCA-b（pH 3.0），其中PTCA分子中-COOH和-COO^-基团的比例为3:1，带隙能量为1.39 eV。选择PTCA-b作为光电极材料，用于检测miRNA

CRediT作者贡献声明

Yingzi Fu：方法学研究、资金获取、数据分析、数据管理。Min Chen：资源提供、项目管理、方法学研究。Fangjing Mo：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、监督、资金获取、数据管理、概念构思。Wanqing Yu：初稿撰写、资源提供、方法学研究。Qian Han：数据验证、资源提供、方法学研究、研究调查。Li Song：数据可视化、软件应用、资源提供

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22077105）、重庆市自然科学基金（cstc2020jcyj-msxmX0854）和湖南省自然科学基金（2024JJ6123）的支持。

Fangjing Mo是中国西南大学的讲师，她于2022年在该大学获得了分析化学博士学位。她的主要研究兴趣是纳米制造和光电化学生物传感器。