基于原位Bi2S3/Bi2O2S异质结形成的光电化学-比色双模式生物传感器，用于检测NAT10蛋白。该异质结的形成由还原态Ce-MOF催化剂催化完成

《Biosensors and Bioelectronics》：Photoelectrochemical-colorimetric dual-mode biosensor for NAT10 protein detection based on in-situ formation of Bi2S3/Bi2O2S Z-Scheme heterojunction catalyzed by reduced Ce-MOF

双模式生物传感器检测NAT10及其抑制剂分析。采用R-Ce-MOF催化生成Bi2S3/Bi2O2S Z型异质结，结合CRISPR/Cas13a系统实现光电化学-比色法联用检测，检测限达0.027 μg/L，并评估了增塑剂和阻燃剂对NAT10的抑制效果。

　　

尹志东|刘洪达|周云雷|尹焕顺

天津科技大学海洋与环境科学学院，中国天津市300457

摘要

为了实现对乙酰转移酶NAT10的灵敏和选择性检测，构建了一种新型的光电化学（PEC）-比色（CL）双模式生物传感器。该传感器采用R-Ce-MOF纳米酶催化原位生成的Bi₂S₃/Bi₂O₂S异质结作为光活性材料，抗ac4C抗体和CRISPR/Cas13a系统作为NAT10的识别单元和捕获R-Ce-MOF的触发单元，同时R-Ce-MOF还用于信号的产生和放大。基于具有双重功能化纳米酶活性的R-Ce-MOF（即模拟碱性磷酸酶和氧化酶的活性），实现了NAT10的PEC-CL双模式检测。一方面，R-Ce-MOF催化Na₃SPO₃的水解产生S^2-，从而原位生成R-Ce-MOF/Bi₂S₃/Bi₂O₂S异质结，增强了光电流信号，实现了NAT10的PEC检测；另一方面，R-Ce-MOF催化PNPP的水解生成黄色PNP，并氧化TMB生成蓝色产物，实现了NAT10的比色检测。该生物传感器的检测范围分别为0.05 - 500 μg/L（PEC方法）和1 - 1000 μg/L（CL方法），检测限分别为0.027 μg/L（PEC方法）、0.37 μg/L（使用PNPP的CL方法）和0.42 μg/L（使用TMB的CL方法）。此外，通过研究增塑剂和含磷阻燃剂对NAT10活性的抑制作用，分析了该生物传感器的适用性。这项工作不仅建立了一种新的NAT10检测方法，还为筛选NAT10抑制剂提供了另一种途径。

引言

作为一种新兴的检测技术，光电化学（PEC）方法因其高灵敏度、低成本仪器、操作简便、样品体积小以及仪器微型化等优点而受到了广泛关注（Zhao等人，2015；Zhao等人，2014；Zhou等人，2020）。更重要的是，电化学信号与激发光源的空间分离显著降低了PEC生物传感器的背景电流，从而提高了检测准确性和灵敏度。基于这些性能，已经构建了多种针对不同目标的PEC生物传感器，包括细菌（Zhao等人，2023）、细胞（Xu等人，2021）、蛋白质（Bu等人，2023；Cheng等人，2025；Wang等人，2025）、DNA（Cui等人，2023；Tu等人，2022）、RNA（Geng等人，2026；Yang等人，2025）、有机小分子（Chen等人，2026；Gao等人，2025；Li等人，2025a；Li等人，2025b；Li等人，2025c；Zhang等人，2025）以及金属离子（Fu等人，2025；Zhou等人，2025b）。构建新型PEC生物传感器需要考虑两个方面：光活性材料和信号放大策略。

光活性材料是PEC生物传感器的核心组成部分，负责产生初始的光电信号。因此，光活性材料对检测灵敏度起着基础性作用。迄今为止，许多纳米材料已被应用于PEC生物传感器的构建，如基于铋的纳米材料（Yu等人，2019；Zhou等人，2023）、基于碳的纳米材料（Tan等人，2023）、共价/金属有机框架（Ma等人，2022）、金属硫化物（Xiao等人，2023；Zhou等人，2025a）和MXene（Zhang等人，2024a）等。在这些光活性材料中，基于铋的化合物因其丰富的原材料来源、简单的制备过程、低毒性、多种类型、可见光活性和窄的价带宽度等特点而受到学术界的广泛关注（Wang等人，2020）。

Bi₂O₂S是一种具有正交晶体结构的二维材料，具有宽的光吸收范围、高的载流子迁移率和可调的带隙，因此在光伏领域备受青睐（Yang等人，2022）。然而，由于其电子-空穴分离效率低，Bi₂O₂S的光生电子寿命较短。为了解决这个问题，可以采用多种策略，如形态控制、表面缺陷工程、元素掺杂以及与其他半导体的异质结构建（Wang等人，2024）。其中，与其他半导体的异质结构建是一种常用的解决方案（Wang & Yuan，2026）。为了构建基于Bi₂O₂S的异质结，另一种基于铋的纳米材料Bi₂S₃因其优异的光电活性和可调的带隙结构而受到关注。Bi₂S₃已被证明是一种优秀的光活性材料，并被广泛用于PEC生物传感器的构建（Zhou等人，2023）。更重要的是，Bi₂S₃与Bi₂O₂S具有匹配的能带结构（Wei等人，2024），满足了异质结形成的基本条件。通常，构建基于异质结的PEC生物传感器时，首先制备异质结，然后将其修饰到电极表面。虽然这种方法被广泛使用，但当基底材料具有强光电流时，后续的信号增强变得困难，这会降低生物传感器的检测灵敏度（基于开-关模式的信号）。基于此，本文提出了在Bi₂O₂S修饰的电极表面原位制备Bi₂S₃以形成Bi₂S₃/Bi₂O₂S异质结的方法。Bi₂S₃产量的增加促进了光电流的增强，从而提高了检测灵敏度。

为了实现Bi₂S₃的原位制备，可以采用纳米酶催化S^2-生成的策略。众所周知，与生物酶相比，纳米酶具有许多优势，如低成本、简单的合成过程、易于标记、较宽的温度和pH范围、批次间催化活性的小变化以及方便的存储条件（Xu等人，2026）。尽管纳米酶已在PEC生物传感器中得到广泛应用，但仍存在一个瓶颈问题：单个纳米酶只能催化单一信号输出，这容易受到环境干扰，从而导致假阳性信号（He等人，2026）。为了解决这个问题，具有两种或更多酶模拟功能的纳米酶可以实现信号之间的相互校准，从而提高检测信号的准确性。因此，本工作中使用了富含氧空位的Ce-MOF（R-Ce-MOF），R-Ce-MOF具有双重功能的纳米酶活性，即模拟碱性磷酸酶和氧化酶的活性（Yin等人，2025）。此外，为了提高R-Ce-MOF的可见光活性和缩小带隙，对Ce的价态进行了调控（Zhang等人，2024c），从而在Bi₂O₂S、Bi₂S₃和Ce-MOF之间形成了三重异质结，进一步增强了光电流。

为了实现高检测灵敏度，有效的信号放大是必要的。最近，各种放大技术已被开发并应用于不同的检测方法中，包括酶/纳米酶催化的信号放大（Hu等人，2026；Sun等人，2026）、核酸等温放大（Zhang等人，2024b）和原位异质结形成（Guo等人，2026；Ma等人，2025）。作为基因编辑工具，CRISPR/Cas13a系统在生物分析中得到了广泛应用，其靶向激活特性、高编辑灵活性和高效的RNA切割活性使其在信号放大方面具有巨大潜力（Zhu等人，2025）。因此，在本工作中，结合了CRISPR/Cas13a系统、R-Ce-MOF纳米酶催化的信号放大以及Bi₂S₃/Bi₂O₂S异质结的原位制备，构建了一种新型的PEC生物传感器用于RNA乙酰转移酶的检测。由于N-乙酰转移酶10（NAT10）是首次发现的RNA乙酰转移酶，因此选择它作为目标分子，NAT10可催化mRNA和tRNA中胞嘧啶的乙酰化修饰（Amin等人，2025；Wei等人，2023）。鉴于乙酰化胞嘧啶在mRNA和tRNA中的重要生物学功能，以及NAT10蛋白在生物系统中的低丰度，开发新的检测技术对于便携式仪器、快速响应、高灵敏度和高选择性至关重要。为此，根据R-Ce-MOF催化的R-Ce-MOF/Bi₂S₃/Bi₂O₂S三重异质结的形成以及R-Ce-MOF催化的PNPP和TMB水解产生的比色信号，开发了一种新型的PEC-CL双模式传感器。为了实现高特异性，使用了抗ac4C抗体和CRISPR/Cas13a系统。利用所开发的策略，评估了污染物对NAT10活性的抑制影响。

试剂和仪器

试剂、仪器、使用的缓冲溶液、材料合成过程、RNA和DNA序列的详细描述见支持信息。

生物传感器的制备

详见支持信息。

PEC和CL检测

PEC检测使用配备LED光源和三电极系统的CHI-660E电化学工作站进行。为了实现目标检测，将制备好的Ce-MOF/P-dsDNA/Au/Bi₂O₂S/ITO电极与40 μL 0.01 M Na₃SPO₃溶液在37°C和潮湿条件下孵育。

检测策略

构建了一种基于Bi₂O₂S作为光活性材料、R-Ce-MOF作为具有双重功能纳米酶活性（模拟磷酸酶和氧化酶活性）的信号放大单元的PEC-CL双模式生物传感器，用于NAT10的检测。此外，Bi₂O₂S还用作Bi源，生成Bi₂S₃以形成Bi₂S₃/Bi₂O₂S Z-Scheme异质结，从而增强光电流响应。

如图1A所示，Bi₂O₂S和Ce-MOF是通过室温沉淀合成的

结论

总之，本研究提出了一种基于R-Ce-MOF的双重模拟酶活性（模拟碱性磷酸酶和氧化酶活性）的敏感且选择性的CRISPR/Cas13a介导的NAT10蛋白检测方法。在R-Ce-MOF催化Na₃PO₃水解的过程中，生成的S^2-与Bi₂O₂S反应生成Bi₂S₃/Bi₂O₂S Z-Scheme异质结，从而增强了光电流，实现了PEC检测。此外，在R-Ce-MOF催化PNPP的过程中

CRediT作者贡献声明

尹焕顺：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、软件、资源管理、项目管理、方法学、研究、资金获取、数据分析、数据管理、概念化。周云雷：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、软件、资源管理、项目管理、方法学、研究、资金获取、数据分析、数据管理、概念化。刘洪达：可视化、方法学

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了山东省NSF（中国，ZR2024MB083）和NSFC（22376127, 42077363）的支持。感谢Scientific Compass（www.shiyanjia.com）在材料表征方面的协助。