半胱氨酸对BiOCOOH表面产生极化效应，从而实现小分子的光电化学检测

《Talanta》：Cysteine exerts surface polarization effect on BiOCOOH for photoelectrochemical detection of small molecules

基于半胱氨酸诱导的表面极化效应（SPE）开发环保层状BiOCOOH半导体光电器材，构建无需标记的aptamer联用高灵敏度光电化学传感器，成功检测双酚A（BPA）和脱氢异雄甾-3-硫酸（DIS），检测限达1.4 nM，线性范围0.01-100 μM（BPA）和0.1-250 μM（DIS）。

　　

吴春霞|金耀轩|丁友超|吴秀明|曹丽华|王光丽

合成与生物胶体国家重点实验室（教育部），江南大学化学与材料工程学院，无锡，214122，中国

摘要

探索具有新型传感机制的新材料对于推进高效光电化学（PEC）分析至关重要。本研究证明了半胱氨酸（Cys）在环保型层状铋基半导体材料BiOCOOH表面诱导的表面极化效应（SPE）。基于这一发现，我们通过将SPE传感机制与适配体识别反应相结合，建立了一种用于检测小分子脱氢异雄烯酮-3-硫酸盐（DIS）和双酚A（BPA）的检测系统。具体而言，Cys通过其巯基与Bi(III)离子相互作用结合到BiOCOOH表面，产生表面极化电场，从而增强光电流。该检测系统在DIS和BPA分析中表现出优异的性能，DIS的线性检测范围为0.1-250 μM，检测限低至14 nM；BPA的线性检测范围为0.01-100 μM，检测限低至1.4 nM。本研究验证了SPE在可扩展半导体/极性分子上的应用潜力，这些应用可能涵盖多功能PEC分析以及高效光催化剂、光电催化剂和太阳能电池的开发等多个领域。

引言

众所周知，小分子在自然界中普遍存在，并在基因表达、代谢和细胞信号传导等多种生物过程中发挥关键作用[1,2]。此外，它们还是许多疾病的生物标志物[3]。同时，小分子作为环境和食品污染的指示物对公共卫生和安全至关重要[4,5]。因此，及时准确地检测小分子对于确保有效的疾病诊断、环境监测和食品安全至关重要。

近年来，新兴的光电化学（PEC）分析技术在小分子检测领域受到了广泛关注。PEC技术采用“光激发-电检测”方法，具有易于微型化、高灵敏度、仪器简单以及输入和输出信号分离明确等优点[6],[7],[8]。PEC生物传感技术主要分为直接检测和间接检测两种策略[9],[10],[11],[12],[13],[14]。直接检测利用小分子的固有氧化还原活性来产生光电流变化，但这些方法存在选择性差和灵敏度低的问题。间接检测方法则利用抗体、适配体和酶等生物分子特异性识别目标，从而显著提高检测特异性。然而，仍存在一些挑战，如需要标记和固定生物分子以及操作程序复杂等问题。因此，亟需开发简便、灵敏且选择性的检测技术，以实现准确、经济高效的小分子检测。

PEC检测过程的性能取决于光活性材料（即半导体材料）及其检测机制[15]。BiOCOOH（BiOC）是一种层状铋基半导体，其晶体结构由堆叠的氟石型阳离子层（Bi₂O₂²⁺）和阴离子层（COO^?）组成，具有与典型Sillen族材料相似的结构特征[16,17]。其独特的层状结构可以减少光激发载流的扩散路径，缩短过程时间，从而提高分离效率，有利于PEC信号传输。此外，与传统卤化物基铋氧化物光催化剂（如BiOX）相比，BiOC完全由环保的C、O和H元素组成，避免了卤化物成分带来的生态毒性[18,19]。然而，据我们所知，BiOC在PEC传感中的应用尚未得到研究。我们研究团队的最新发现表明，极性分子诱导的原位表面极化效应（SPE）提供了一种新的信号传输方法，其中极性分子谷胱甘肽与材料表面结合，通过建立极化电场来诱导SPE，从而增强电子（e^?）和空穴（h⁺）对的分离效率，提高光电流输出。然而，这一研究方向及其应用仍处于初级阶段。我们好奇SPE是否存在于更广泛的半导体材料表面，以及它是否具有更广泛的应用前景。

在本研究中，我们发现半胱氨酸（Cys）可以结合到BiOC表面，产生显著的SPE和明显的光电流输出。通过结合适配体识别反应，成功设计了一种无需标记和固定的小分子PEC生物传感器（以脱氢异雄烯酮-3-硫酸盐（DIS）和双酚A（BPA）为模型），实现了高通量检测。该传感器无需标记和复杂的固定步骤，能够消除传统检测方法中的干扰，同时满足实际应用中同时分析多个样本的需求。总之，本研究揭示了SPE效应存在于可扩展半导体和极性分子上，为多种PEC检测方法和高性能光/光电催化剂或光伏材料的开发提供了巨大潜力。

试剂和材料

有关试剂和仪器的详细信息请参见支持信息。

BiOC纳米花的合成及其在ITO电极上的修饰

BiOC纳米花的合成采用溶剂热法进行，方法基于现有文献并进行了轻微改进[20]。将0.86 mmol的Bi(NO₃)₃·5H₂O溶解在5.0 mL的N,N-二甲基甲酰胺中，通过磁力搅拌直至溶质完全溶解，形成均匀溶液。

材料表征和PEC传感机制探索

使用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析了BiOC的形态和组成，如图S1A和S1B所示。BiOC由直径为3.0至5.0 μm的纳米片组成。如图S1C的XRD图谱所示，BiOC在24.2°、29.6°、32.6°、46.9°、53.05°和56.6°处观察到明显的衍射峰，分别对应于（101）、（102）、（110）、（200）、（211）和（212）晶面。

结论

本研究的核心是层状铋基半导体材料BiOC，它是一种环保材料，具有优异的光响应性，但在PEC传感领域尚未得到充分研究。Cys与BiOC材料表面的相互作用产生的SPE增强了阴极光电流，从而实现了无需标记和固定的高通量PEC生物传感器的构建。

CRediT作者贡献声明

吴春霞：撰写初稿、进行研究、数据管理。金耀轩：资源提供。丁友超：方法设计。吴秀明：结果验证。曹丽华：结果验证。王光丽：项目指导、资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号22174054、22172064）、国家重点研发计划（项目编号2024YFF0618301）以及南京海关研究项目（项目编号2025KJ38）的支持。同时，我们也感谢江南大学化学与材料工程学院的中心实验室的支持。