利用g-C3N4/Ag/UiO-66-NH2 Z型异质结结合酶生物传感器实现四环素的超灵敏检测

《Biosensors and Bioelectronics》：Ultrasensitive detection of tetracycline by the g-C3N4/Ag/UiO-66-NH2 Z-type heterojunction-binding enzyme biosensor.

　　

Jixiang Li|Genyun Zhou|Fei Wu|Jinping Yuan|Linan Hu|Qiang Zhang|Wenge Yang|Yonghong Hu

南京工业大学生物技术与制药工程学院，中国江苏省南京市浦珠南路30号，邮编211816

摘要

四环素（TC）是一种持久性广谱抗生素，对人类健康和环境构成了重大威胁。本研究开发了一种超灵敏的光电化学（PEC）生物传感器，用于快速检测TC。该传感器采用由聚丙烯腈和二甲二乙氧基硅烷制成的柔性掺硅碳纤维膜作为导电基底。经过聚（3,4-乙烯二氧噻吩）和聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT: PSS）涂层后，构建了基于UiO-66-NH₂/Ag/g-C₃N₄的异质结作为光活性核心，并通过静电固定漆酶来实现特异性TC识别。电化学表征表明，漆酶提高了电极的生物催化活性和电子转移效率。结合瞬态光电流测量和分子动力学模拟，发现检测机制主要受TC占据漆酶活性位点的空间位阻影响，随后发生氧气消耗，检测限为0.012 μM（R² = 0.993）。紫外漫反射光谱（UV-DRs）、莫特-肖特基分析（M-S）和电子顺磁共振（EPR）测量进一步证实，Ag介导的Z结构显著增强了载流子分离。该传感器在真实河水及复杂基质中表现出优异的稳定性和抗干扰性能，通过结合柔性碳基底与先进的Z结构光催化系统，为抗生素检测提供了一种有效策略。

引言

四环素（TC）是一种广谱抗生素，在人类和兽医医学中广泛应用，因为它对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌都具有强烈的抑制作用（Fiaz等人，2021年；Patyra等人，2019年）。然而，由于其化学稳定性高、生物降解性低和生物累积潜力大，其广泛且往往不受控制的使用导致了严重的环境污染和生态风险，包括抗生素抗性基因（ARGs）的传播、微生物生态系统的破坏以及对人类健康的潜在危害（Blake等人，2025年；Sun等人，2023年）。传统的TC检测方法，如高效液相色谱（HPLC）（Kargin等人，2016年）、荧光分析（Kargin等人，2016年）、毛细管电泳（Gonzalez-Garrido等人，2025年）和酶联免疫吸附测定（ELISA）（Li等人，2019年），虽然具有高准确性和重复性，但依赖昂贵的仪器、复杂的程序和耗时的分析步骤，限制了其在快速现场监测中的应用。因此，开发简单、高效和快速的检测方法仍然非常有必要（Zhang等人，2022年）。

光电化学（PEC）传感技术因背景信号低、灵敏度高、仪器简单以及具有微型化潜力而成为一种有前景的抗生素检测方法（Cao等人，2023年）。PEC传感器通过光诱导半导体中的电子-空穴对生成来工作，从而通过光电流或电势的变化实现分析物定量。然而，许多报道的TC检测PEC传感器依赖于适配体作为识别元件，这增加了制备成本，并涉及筛选、固定和稳定性调节等复杂且耗时的过程（Chen等人，2024年；Kim等人，2010年）。为了克服这些限制，基于漆酶的PEC生物传感器受到了越来越多的关注（Jing等人，2024年）。作为一种典型的多铜氧化酶，漆酶具有高催化效率、广泛的底物特异性和优异的稳定性，且不需要额外辅因子（Jeong和Choi，2020年；Yang等人，2017年）。它催化有机底物的氧化同时将分子氧还原为水，提供了高效的电子转移途径。这一特性使漆酶成为构建灵敏且无标记PEC生物传感器的理想生物识别元件（Ding等人，2026年；Li等人，2024年）。

除了生物识别元件外，PEC传感器的性能严重依赖于电极基底（Hurh和Kim，2024年）。传统的基底如FTO和ITO存在表面积有限、活性位点不足和柔韧性差等问题，限制了酶的固定和电子传输（Du等人，2022年；Wu等人，2022年）。相比之下，具有三维多孔结构的纤维膜具有显著优势，包括高表面积、高效的质量传输和机械柔韧性，使其成为高性能光电极的有希望的候选材料（Liu等人，2022年；Tian等人，2023年）。其中，基于聚丙烯腈（PAN）的纤维具有优异的纺丝性和化学稳定性，经过热处理后可以转化为导电碳结构（Lai等人，2024年；Liang等人，2022年）。然而，原始PAN衍生的纤维仍存在导电性和界面兼容性不足的问题，需要进一步改性，如元素掺杂和导电聚合物的引入，以提高电荷传输和整体PEC性能（Li等人，2025年；Yu等人，2022年）。

基于这些考虑，我们开发了一种新型PEC酶生物传感器，用于灵敏检测TC，具体方案见图1。首先构建了PAN/DMESE衍生的复合碳纤维膜作为电极基底，其中硅掺杂改善了界面兼容性和电荷传输。然后引入PEDOT: PSS涂层以提高导电性和界面电荷转移效率。随后，集成UiO-66-NH₂/Ag/g-C₃N₄光催化系统形成Z结构异质结，其中Ag纳米颗粒作为电子媒介促进有效的电荷分离和定向传输（He等人，2021年）。最后，将漆酶固定在复合光电电极上，形成了一个集高效光吸收、电荷分离和酶识别的PEC生物传感平台，从而实现高灵敏度的TC检测。

段落摘录

材料与仪器

盐酸四环素、聚丙烯腈（PAN，分子量=150000道尔顿，Aladdin）、二甲二乙氧基硅烷、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，≥99%，Alfa Aesar）、三聚氰胺、磷酸二氢钠、氯化锆、磷酸二钠、2-氨基对苯二甲酸、柠檬酸、柠檬酸钠、纳米银、2,2-氮杂双（3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸）二铵盐（ABTS）、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）和聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT: PSS≈1:2.5，1.4%，adamas）。其他所有化学品和

生物传感器的形态特征

图1展示了从原始纳米纤维到功能材料和漆酶整合的逐步固定过程，揭示了分层结构构建。图1A显示，静电纺制的PAN/DMESE膜具有光滑、连续的纤维，这些纤维随机排列且直径分布较为均匀。121.7°的接触角表明其具有强烈的疏水性，这归因于PAN本身的非极性和微观/纳米级的表面特性

结论

总之，本研究设计了一种基于Z结构异质结的生物光电化学传感平台，该平台建立在碳化PAN/DMESE基底上，并通过修饰g-C₃N₄/Ag/NH₂-UiO-66/Lac来实现TC的快速检测。来自EPR、MS和MD模拟的实验证据表明，Ag介导的Z结构路径显著增强了载流子分离效率，实现了0-30 μM范围内的线性检测

CRediT作者贡献声明

Genyun Zhou：撰写 – 审稿与编辑。Jixiang Li：撰写 – 原稿，方法学设计。Jinping Yuan：资源获取。Fei Wu：实验研究。Qiang Zhang：验证。Linan Hu：监督。Wenge Yang：方法学设计，资金申请。Yonghong Hu：项目管理

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

感谢中国国家自然科学基金（项目编号：22378194）提供的财务支持。