自供能光电化学生物传感器的构建及其在蓝藻毒素检测中的应用研究.pdf

自供能光电化学生物传感器的构建及其在蓝藻毒素检测中

的应用研究

摘要

蓝藻毒素是一类由蓝藻所产生的次级代谢物，具有种类多、毒性强、分布广的特点，

对人类健康造成严重威胁。因此，实现对蓝藻毒素的快速、灵敏检测具有重要意义。自供

能光电化学（PEC）分析是指在偏置电压为0V的情况下，识别分子与目标物相互作用导

致光电活性材料的光电流或光电压发生变化，从而实现对目标物定量分析的一种方法。该

方法具有背景信号低、灵敏度高、无需外部电源等优点，在生物传感领域具有很好的应用

前景。本论文以硫化铋（BiS）、硫铟铜（CuInS）、负载二氧化钛的碳化钛（TiO-MXene）

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和硫化铋/氢氧化铟异质结（BiS/In(OH)）作为光电材料，以核酸适配体（AP）作为生物

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分子识别元件，构建三种自供能PEC生物传感器，分别实现了对微囊藻毒素-LR（MC-LR）、

节球藻毒素-R（NOD-R）和微囊藻毒素-RR（MC-RR）的高灵敏、快速检测。

论文研究工作主要包括三个部分：

（1）通过集成n型半导体BiS光电阳极和p型半导体CuInS光电阴极，构建了一种

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基于双光电极的自供能PEC生物传感器，实现对MC-LR的检测。首先通过水热法得到棒

状的BiS与花状的CuInS，分别修饰在氧化铟锡（ITO）电极上。利用BiS与CuInS费

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米能级的差异，将BiS光电阳极产生的大量光生电子沿外电路供给CuInS光电阴极，无

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需外部电源即可产生较强的阴极光电流，有效解决了阴极PEC分析中光电流不明显的问

题。在此基础上，在CuInS2光电阴极上固定AP以特异性识别MC-LR，MC-LR导电性差，

阻碍了光电阴极的电子转移，降低了阴极光电流信号，从而实现对MC-LR的快速定量。

结果表明，所构建的生物传感平台对浓度范围在10fg/mL~10ng/mL之间的MC-LR呈现

出良好的线性关系，检出限为9.0fg/mL(S/N=3)。

（2）以抗坏血酸（AA）作为电子供体，结合杂交链式反应扩增技术（HCR），提出了

一种基于HCR和亚甲基蓝（MB）双放大的自供能纸基PEC生物传感器用于检测NOD-R。

该机制首先将AP与引发链（IS）结合。当NOD-R存在时，其与AP的特异性结合诱导了

IS脱离，脱离的IS打开两个发卡的茎环结构，触发HCR。由此形成的双链DNA可捕获亚

甲基蓝（MB）。在可见光与AA的作用下，MB转化为还原态MB（leuco-MB）。最终，显

著放大TiO-MXene的光电流信号，间接实现了对NOD-R灵敏检测。结果表明，所构建的

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生物传感平台在20fg/mL~10ng/mL范围内呈现出良好的线性关系，检出限为19.6fg/mL

（S/N=3）。值得一提的是，本研究摆脱了上一个研究中所依赖的大型电化学工作站，使用

自主设计的一体化、便携式光电检测装置，实现了对NOD-R的快速检测。

（3）传统的单信号检测模式容易出现假阳性或假阴性的结果，而双信号检测模式下，

检测结果之间可以互相验证，提高了检测的准确性。基于此，本研究在PEC检测的基础上

引入了方