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盐城工学院王成双/南京大学赵伟团队: 复合电极高灵敏检测血中TYR

研究背景

酪氨酸酶 (TYR) 是一种广泛存在于植物、动物和人体中含铜多酚氧化酶，是调控黑色素生成的限速酶。临床研究中，人体血清中的 TYR 水平有助于识别恶性黑色素肿瘤和白癜风。因此，TYR的定量检测至关重要。目前发展成熟技术诸如比色法、拉曼散射法、电化学法、电化学发光法和荧光法等，每种技术都有其诸多优点，但仍然存在成本高和灵敏度低等缺点。

光电化学 (PEC) 生物分析是一种快速发展的、高灵敏生物分析方法，具有响应快、背景低、灵敏度高等优点。目前基于光电阳极材料的生物传感研究较深入且应用广泛，对 p 型光敏材料用于光电阴极生物分析研究相对较少。光电阴极生物分析具有优异的稳定性，且对实际生物样品中的还原性物质具有极强的抗干扰能力，鉴于光电阴极生物分析的优点和 TYR 检测的重要意义，开发新型光电阴极 TYR 分析的意义重大。

半导体共轭聚合物量子点 (Pdots) 是一类具有光稳定性好、毒性低、生物相容性好、制备过程简单以及光电性能可调制的功能材料，利用 Pdots 可用于 PEC 检测 L-半胱氨酸、pH、DNA、miRNA-141 等。尽管 Pdots 在 PEC 生物分析领域具有良好的应用前景，但是开发基于 Pdots 的新型 PEC 生物分析体系仍处于初步阶段。

构建半导体异质结是有效提高光敏复合电极光电性能的有效策略之一，空穴传输层作为一种具有高空穴迁移率和亲和性的活性层，可以显著提高光敏复合电极的光电转换效率和稳定性。





基于此，盐城工学院王成双联合南京大学赵伟伟团队合作，构建了PAMAM/Pdots/NiO 光电阴极协同高灵敏 PEC 检测血清中的 TYR。本文引入空穴传输层 NiO，与 Pdots 形成新型 p-p 异质结制备得到 Pdots/NiO/FTO 光敏电极，利用超支化聚酰胺-胺 PAMAM 分子中活性氨基作为共价交联中心，协同提高电子受体对苯醌（BQ）对 PAMAM/Pdots/NiO/FTO 光阴极电流的增强效果，并应用于 PEC 生物分析。

该成果以“Polymer Dots Synergized with NiO Hole Transporting Layer and Poly(amido amine) Dendrimer: Toward Sensitive Photocathodic Detection of Tyrosinase Level in Serum” (聚合物量子点 [Pdots] / 空穴传输层 NiO 与超支化聚酰胺-胺 PAMAM 协同高灵敏光电阴极检测血清中的酪氨酸酶) 为题，发表在英国皇家化学会传感与诊断新刊 Sensors & Diagnostics 上。


研究内容

PAMAM/Pdots/NiO/FTO 光电阴极的构建过程和 PEC 检测 TYR 的作用机制如图 1 所示，Pdots 由聚合物 PFBT、PSMA 和光敏剂 TPP 通过共沉淀法制备得到。通过在氟掺杂氧化锡(FTO)上液相沉积和退火处理合成 NiO 纳米片，再经过层层自组装得到 Pdots/NiO/FTO，利用 Pdot s表面羧基与 PAMAM 氨基之间发生酰胺化反应形成共价键结合，制备得到 PAMAM/Pdots/NiO/FTO 光敏电极。PAMAM 表面过量的氨基与 TYR 催化产生的 BQ 通过迈克尔加成反应共价结合，TYR 催化产生的 BQ 的量直接影响 PEC 阴极光电流的变化，从而高灵敏检测血清中TYR。

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图 1. (a) TPP 掺杂 PFBT 合成 Pdots 的示意图。(b) PAMAM/Pdots/NiO/FTO共价连接 BQ 的示意图。(c) TYR 催化对苯二酚氧化成 BQ 的示意图。


如图 2 所示，Pdots 呈现准球形的纳米颗粒，直径为~2.8 nm；NiO 是由紧密相连的纳米片组成的三维片层状结构，纳米片的高度达到~300 nm。从 Pdots 的 UV-vis 吸收光谱可以看出，以 5 wt% 的 TPP 掺杂制备的 Pdots 在 426 和 465 nm 处存在两个主要吸收峰，分别归属于 TPP 和 PFBT 的吸收峰。Pdots 的发射光谱在 650 nm 处出现 TPP 的强发射峰，同时 PFBT 在 536 nm 处出现发射峰，且 PFBT 荧光被部分猝灭，主要由于PFBT吸收并转移激发能量到光敏剂 TPP 分子。Pdots/NiO/FTO 的吸收光谱整合了 NiO/FTO 和 Pdots/FTO 的吸收，证实了 Pdots 在 NiO/FTO 上成功自组装。当 PAMAM 酰胺化反应与 Pdots 共价结合后，PAMAM/Pdots/NiO/FTO 复合电极的吸收光谱在 300-500 nm 范围内几乎没有变化。

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图 2. (a) Pdots 的 TEM 图。(b) NiO/FTO 表面和横截面（插图）的 SEM 图。(c) Pdots 的吸收（蓝色）和发射（红色）光谱。(d) NiO/FTO（灰色）、Pdots/FTO（绿色）、Pdots/NiO/FTO（蓝色）和 PAMAM/Pdots/NiO/FTO（红色）的紫外-可见吸收光谱。


图 3 是光敏电极修饰前后的 PEC 光电流响应和光生电荷转移机制。NiO/FTO 和 Pdots/FTO 的阴极光电流分别为 ~1.3 nA 和 ~35.6 nA。当形成 Pdots/NiO/FTO 异质结后，阴极光电流显著提高至 93 nA，主要由于 NiO 具有良好的空穴转移效率。当 PAMAM 共价结合在 Pdots/NiO/FTO 表面时，由于 PAMAM 的空间位阻效应，PAMAM/Pdots/NiO/FTO 的阴极光电流稍微下降至~79.7 nA。在 455 nm 的光照下，由于 Pdots 的 HOMO 能级(1.2 V vs NHE)比 NiO 的价带电位(0.54 V vs NHE)要高，当 Pdots 发生光生电子和空穴分离后，空穴自发向 NiO 迁移，Pdots 的 LUMO (-1.14 V vs NHE)上的电子会通过光生电子转移过程快速转移到电子受体 BQ 中。研究表明，当含有 1 mM 的 BQ 时，PAMAM/Pdots/NiO/FTO 的阴极光电流从 79.7 nA 显著提高至 350.4 nA；当含有 0.1 mM 对苯二酚底物与 1 U mL−1 TYR 的 10 mM PBS 时，通过 TYR 催化对苯二酚氧化原位生成 BQ 同样显著提高 PAMAM/Pdots/NiO/FTO 的阴极光电流。

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图 3. (a) 合成的 NiO/FTO（灰色）、Pdots/FTO（绿色）、Pdots/NiO/FTO（蓝色）和 PAMAM/Pdots/NiO/FTO（红色）分别在 10 mM PBS 中的 PEC 响应。(b) 光照下的 Pdots/NiO/ FTO 的光生电荷转移机制。(c) PAMAM/Pdots/NiO/FTO 在 1 mM BQ 中的 PEC 响应。(d) PAMAM/Pdots/NiO/FTO 分别在 10 mM PBS（灰色），0.1 mM 对苯二酚在 10 mM PBS（绿色），1 U mL−1 TYR 在 10 mM PBS（蓝色），含 0.1 mM 对苯二酚和 1 U mL−1 TYR 的 10 mM PBS（红色）中的 PEC 响应。


如图 4 所示，我们研究了不同浓度的 TYR 原位生成 BQ 对PAMAM/Pdots/NiO/FTO 阴极光电流的影响。在 0.1~1000 U L−1 的线性范围内，PAMAM/Pdots/NiO/FTO 电极的光电流随着TYR浓度的对数值增大而增大，最低检测限低至 0.03 U L−1  (S/N=3)。PAMAM/Pdots/NiO/FTO 电极对牛血清白蛋白(BSA)、葡萄糖氧化酶(GOx)、碱性磷酸酶(ALP)、辣根过氧化物酶(HRP)干扰物具有良好的选择性。为了验证该 PEC 酶传感器在实际样品检测中的潜力，采用标准加样法对人体血清样品中的 TYR 进行检测。结果表明，该 PEC 酶传感器在人体血清中同样能够高灵敏检测 TYR。

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图 4. (a) 含 0.1 mM 对苯二酚和不同浓度（0、0.1、0.5、0.0、1、5、10、100、500和1000 U L−1）TYR 中的 PEC 响应。(b) TYR 检测的校准曲线。(c) TYR 检测的选择性。对苯二酚的浓度为 0.1mM，TYR、BSA、GOx、ALP 和 HRP 的浓度分别为 1 U mL−1。(d) 含 0.1 mM 对苯二酚和 104 倍稀释的人体血清中的 PEC 响应。(e) 含 104 倍稀释的人体血清和不同浓度（0、0.1、0.5、1、1、5、10、100、500 和 1000 U L−1）TYR 中的 PEC 响应。(f) 稀释 104 倍的人体血清中 TYR 检测的校准曲线。



总结展望

本文构建了新型 PAMAM/Pdots/NiO/FTO 复合电极，并将其应用于 PEC 检测人体血清中 TYR。

  • 空穴传输层 NiO 能有效地转移空穴，增强 Pdots 的电荷分离效率；PAMAM 的活性氨基不仅能与 Pdots 的羧基共价结合，还能共价连接电子受体 BQ，使得 PAMAM/Pdots/NiO/FTO 光敏电极具有优异的 PEC 稳定性。
  • 由于 Pdots/NiO 和 PAMAM 的协同作用，该 PEC 酶传感器用于 TYR 检测具有良好的选择性和高灵敏度，线性范围为 0.1–1000 U L−1，检测限低至 0.03 U L−1。
  • 同时还验证了该 PEC 酶传感器适用于人体血清实际样品的 TYR 检测。
我们希望本工作激发更多的兴趣在于设计和开发新型异质结构复合材料，并用于新型 PEC 阴极生物传感研究。


论文信息

  • Polymer Dots Synergized with NiO Hole Transporting Layer and Poly(amido amine) Dendrimer: Toward Sensitive Photocathodic Detection of Tyrosinase Level in Serum

    Jia-Hao Chen, Cheng-Shuang Wang,*(王成双, 盐城工学院) Yu-Yue Zhu, Cheng-Jie Li, Cheng-Jun Li, Fen-Ying Kong,* (孔粉英, 盐城工学院) Wei-Wei Zhao,* (赵伟伟, 南京大学) Jing-Juan Xu and Hong-Yuan Chen

    Sens. Diagn., 2022, 1, 1218-1223
    https://doi.org/10.1039/D2SD00131D


作者简介

王成双 副教授

盐城工学院材料科学与工程学院

本文通讯作者，硕士生导师，江苏省“333 人才工程”第三层次培养人选，江苏省“双创”人才，2018 年至 2019 年在美国加州大学河滨分校作访问学者。主持国家自然科学基金项目 1 项，主要研究方向：功能高分子材料和光电化学生物分析。目前已在 Biosens. Bioelectron.、Anal. Chem., Ind. Crop. Prod.、Int. J. Biol. Macromol.、Sci. Total Environ.和 Cellulose 等刊物上发表论文 50 余篇。






孔粉英 教授

盐城工学院化学与化工学院

本文通讯作者，硕士生导师，江苏省“六大人才高峰”高层次人才，江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、优秀青年骨干教师，盐城工学院“2311”高层次人才黄海精英培养对象。主要研究方向：功能纳米材料的设计合成和光电化学生物分析。主持国家自然科学基金项目 2 项，目前已在 Biosens. Bioelectron.、Chem. Commun., Anal. Chim. Acta, J. Alloy. Compd., Microchim. Acta 和 Analyst 等刊物上发表论文 70 余篇。





赵伟伟 副教授

南京大学化学与化工学院

本文通讯作者，博士生导师，主要研究方向：半导体材料合成，光电化学生物分析，光电化学晶体管研究，超微电极制备及应用等。主持国家自然科学基金项目 4 项，目前已在 Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Angew. Chem., ACS Nano, Research, CCS Chem., Adv. Funct. Mater., Exploration, Small, Anal. Chem., ACS Sensors 等刊物上发表论文 120 余篇。

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