基于cDNA-Ag2S敏化的Bi2WO6/CuS/Au异质结构的光电化学适配体传感平台，用于食品和药品基质中超灵敏地检测玉米赤霉酮

《Microchemical Journal》：Engineering a cDNA-Ag 2S sensitized Bi 2WO 6/CuS/Au heterostructure-based photoelectrochemical aptasensing platform for ultrasensitive zearalenone monitoring in food and pharmaceutical matrices

黄曲霉毒素ZEN光电化学aptasensing平台通过Bi2WO6/CuS/Au异质结构建和cDNA-Ag2S信号放大，实现0.84 fg/mL超低检测限，灵敏度较HPLC提升千倍，适用于复杂食品基质现场快速检测。

　　

宗菲菲|李杰|张子龙|徐彦瑞|齐玉瑞|吴亚丹|张洪芬

山西医科大学药学院，中国山西省晋中市030619

摘要

霉菌毒素污染对全球食品安全和药品安全的威胁日益加剧，亟需创新的分析方法以实现快速、超高灵敏度的检测。本文报道了一种新型光电化学（PEC）适配体传感平台，该平台结合了核酸识别的高精度与先进的纳米材料工程技术，用于超高灵敏度地检测玉米赤霉酮（ZEN）。其核心创新在于合理设计了由Bi₂WO₆/CuS/Au异质结构与cDNA偶联的Ag₂S纳米粒子（cDNA-Ag₂S）组成的体系。这种结构通过II型能带对齐实现高效的电荷分离，并利用局域表面等离子体共振（LSPR）效应增强光电响应。该适配体传感器的电荷分离效率优异，在20次循环光照开关后仍保持光稳定性。其检测范围广，从1.0 fg·mL^?1到100 ng·mL^?1，检测限低至0.84 fg·mL^?1，灵敏度比传统的高效液相色谱（HPLC）方法提高了1000多倍。在实际样品（薏米籽和小麦粉）中的验证显示，回收率在97.6%–109.2%之间，相对标准偏差（RSD）≤3.9%，证明了其在无需复杂预处理的情况下直接分析复杂食品基质的可靠性。这项工作建立了一种将纳米材料工程与生物分子识别相结合的变革性PEC适配体传感范式，为现场监测霉菌毒素及其他污染物提供了多功能平台。

引言

玉米赤霉酮（ZEN）是一种主要由镰刀菌属真菌产生的强效霉菌毒素，已成为对农业和食品安全的全球性威胁[1]。这种类似雌激素的毒素会在受污染的谷物（如玉米、小麦等）中积累，与人体雌激素受体结合并引发雌激素毒性[2]。欧洲食品安全局（EFSA）规定的人体食品中ZEN的日暴露限量为100 ppb[3]，而中国法规规定谷物及其制品中ZEN的最大含量为60 μg·kg^?1[4]。因此，灵敏可靠的ZEN检测对于确保农产品安全和人类饮食纯净至关重要。

目前用于ZEN定量的仪器方法（包括高效液相色谱（HPLC）[5,6]、液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）[7]、免疫测定[8,9]和薄层色谱（TLC）[10]）存在依赖专业操作人员、设备昂贵以及样品制备繁琐等局限性，这些因素限制了它们在现场和快速检测中的应用。相比之下，光电化学（PEC）生物传感器具有操作简便、超高灵敏度和低检测限等优点[11–17]，尤其是采用适配体作为识别元件的PEC适配体传感器，具有更高的亲和力、特异性和结构稳定性[18]，非常适合超高灵敏度的ZEN检测[19]。

半导体纳米材料是PEC生物传感器性能的关键。虽然TiO₂[20]、Bi₂S₃[21]、Bi₂WO₆[22]等材料已被广泛研究，但Bi₂WO₆（带隙=2.8 eV）因其太阳能转换潜力而备受关注[23]。然而，像大多数单半导体一样，它存在载流子复合快和光吸收有限的问题，限制了其实际应用。为了解决这些问题，异质结构工程和贵金属纳米粒子沉积已成为有效策略[24]。具有层状结构和金属导电性的窄带隙硫属化合物CuS与铋基半导体结合使用，可提升光催化性能[25]。因此，Bi₂WO₆/CuS复合材料成为PEC传感的理想选择。此外，Au纳米粒子还能通过局域表面等离子体共振（LSPR）增强光电响应[26]。

本研究中，通过cDNA-Ag₂S偶联实现信号放大。在无ZEN的情况下，cDNA-Ag₂S在电极表面形成空间障碍，抑制了Bi₂WO₆/CuS/Au异质结构对光的吸收并阻碍电荷转移；加入ZEN后，特定的适配体-ZEN结合会取代cDNA-Ag₂S复合物，恢复光对光电界面的照射并增强电荷分离。这种机制产生了与ZEN浓度相关的PEC信号。

我们报道了一种结合了Bi₂WO₆/CuS/Au异质结构、适配体识别和cDNA-Ag₂S信号放大的PEC适配体传感器（图1）。这种工程化的纳米结构利用Bi₂WO₆与CuS之间的II型能带对齐以及Au纳米粒子的LSPR效应，实现了卓越的电荷分离和光吸收。该适配体传感器具有宽线性检测范围（1.0 fg·mL^?1至100 ng·mL^{?1?1），灵敏度优于传统方法。其稳健的操作框架确保了高选择性和准确性，适用于食品安全、环境监测等领域。}

试剂和仪器

所有实验试剂均为分析纯，无需进一步纯化。五水合硝酸铋（Bi(NO₃)₃·5H₂O）、二水合钨酸钠（Na₂WO₄·2H₂O）、二水合氯化铜（CuCl₂·2H₂O）和硫脲（CH₄N₂S）均购自上海麦克林生化有限公司（中国上海）。四水合氯金酸（HAuCl₄·4H₂O）购自国药化学试剂有限公司。硝酸银（AgNO₃）购自上海试剂厂（中国上海）。

Bi₂WO₆/CuS/Au复合纳米材料的表征

使用透射电子显微镜（TEM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）（图1）分析了合成的Bi₂WO₆、Bi₂WO₆/CuS和Bi₂WO₆/CuS/Au样品的形态和结构特征。如图1A所示，Bi₂WO₆样品呈现出独特的微花状结构，由多层纳米片堆叠而成；图1B显示CuS纳米片均匀沉积在Bi₂WO₆微花的表面。此外，在合成Bi₂WO₆/CuS/Au复合材料的过程中

结论

本研究通过合理整合Bi₂WO₆/CuS/Au异质结构工程和核酸导向的信号放大技术，建立了一种新型PEC生物传感平台。II型能带对齐介导的电荷分离与LSPR效应的协同作用有效克服了传统PEC生物传感器长期存在的量子产率低的问题。通过结合cDNA-Ag₂S敏化策略和目标特异性适配体识别，实现了

CRediT作者贡献声明

宗菲菲：撰写初稿、数据整理。李杰：验证、实验研究。张子龙：方法学设计。徐彦瑞：软件开发、数据分析。齐玉瑞：数据分析。吴亚丹：实验研究。张洪芬：撰写、审稿与编辑、项目管理和资金申请。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山西省高等教育“百亿元项目”科技指导项目（IDD/SXMU-2024-01）的资助。