组成图示
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传感器类型
光电化学生物传感器
检测对象
凝血酶（thrombin）；样品基质：PBS缓冲液（pH 7.4，含0.1 M抗坏血酸）
检测原理
在430 nm光照和0.1 V电位下，CdSe量子点被激发产生电子-空穴对；石墨烯作为电子受体/传输层促进电子向ITO转移，提高光电流。磷酸化捕获DNA通过EDC偶联固定在CdSe-NH2表面，并与负载凝血酶适配体、V2+和AuNPs的PEC纳米探针杂交。V2+作为联吡啶鎓电子受体捕获CdSe导带电子，AuNPs与CdSe之间发生能量转移，二者双重猝灭使初始光电流显著降低。加入凝血酶后，凝血酶与适配体特异性结合，使双螺旋打开，PEC纳米探针从电极表面脱落，猝灭元件被移除，光电流恢复，形成signal-on响应。凝血酶浓度越高，脱落越多，光电流增量越大，在2.0×10^-14–2.0×10^-13 M范围内线性。AA作为牺牲电子供体维持光电流。
检测灵敏度
LOD: 5.9×10^-15 M（摘要）；LOQ: 2.0×10^-14 M (10s)；线性范围: 2.0×10^-14–2.0×10^-13 M；回归方程: ΔI(nA) = -6.25 + 26.39 c_thrombin(10^-14 M)；R = 0.9982
效应效果
该传感器对凝血酶选择性良好：加入1.0×10^-13 M凝血酶时光电流增加270 nA；BSA、BHb、溶菌酶和葡萄糖氧化酶即使过量10^4倍也未引起明显光电流变化。对6.0×10^-14 M凝血酶进行11次重复测量，RSD为4.3%，重现性较好。与仅基于V2+的简单光电化学检测相比，引入AuNPs后灵敏度提高约100倍。作者认为signal-on策略可避免假阳性，生物条形码可提高选择性，方法简便、灵敏，适用于高效光电化学生物传感器构建。文中未报告实际样品加标回收率及与ELISA、HPLC或qPCR的直接对比。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：ITO导电玻璃（ITO），作为工作电极，传导光电流并作为光电化学换能器
- 硅烷化界面层：3-aminopropyltriethoxysilane（APS），硅烷化ITO表面引入氨基，用于共价连接G-COOH
- 石墨烯修饰层：carboxyl-functionalized graphene（G-COOH），经EDC/NHS酰胺键连接，提供大比表面积和电子接受/传输通道，增强光电流
- 量子点光活性层：CdSe-NH2 nanoparticles（CdSe QDs），通过酰胺键连接在G-COOH上，光激发产生电子-空穴对，产生光电化学信号
- 捕获探针层：phosphate-modified capture DNA（5'-PO3H-TTT TTC CAA CCA CAC CAA CC-3'），经EDC与CdSe-NH2表面氨基偶联，用于杂交固定PEC纳米探针
- 识别元件：thrombin aptamer（5'-SH-TTT TTT GGT TGG TGT GGT TGG-3'），修饰在AuNPs上，特异性识别凝血酶
- 信号标记/猝灭元件：N,N'-dimethyl-4,4'-bipyridinium（V2+）和AuNPs（18 nm），V2+作为电子转移中继，AuNPs作为载体并发生能量转移，双重猝灭光电流
- 电子供体：ascorbic acid（AA，0.1 M，PBS pH 7.4），作为牺牲电子供体维持光电流
中文摘要
本文报道了一种基于羧基功能化石墨烯和CdSe纳米粒子的新型光电化学（PEC）生物传感器。首先通过氮烯环加成反应制备羧基功能化石墨烯，将其与氨基化CdSe量子点组装，构建高灵敏度光电化学传感界面。该界面利用双猝灭效应检测凝血酶：一方面，联吡啶鎓（V2+）作为电子转移中继捕获CdSe光生电子；另一方面，金纳米粒子（AuNPs）与CdSe量子点之间发生能量转移，二者共同显著降低初始光电流。捕获DNA与负载凝血酶适配体、V2+和AuNPs的光电化学生物条形码探针杂交后，凝血酶与适配体特异性结合，使双螺旋打开并导致纳米探针从电极表面脱落，从而恢复光电流，形成signal-on型PEC生物传感器。生物条形码策略可减少交叉反应并提高灵敏度。研究还比较了不同官能团修饰石墨烯和不同粒径AuNPs的影响。在最佳条件下，检测限达到5.9×10^-15 M。该策略简便、选择性好、灵敏度高，有望用于构建高效PEC生物传感器。
英文摘要
A new photoelectrochemical (PEC) biosensor was developed by using carboxyl-functionalized graphene and CdSe nanoparticles. This sensitive interface was then successfully applied to detection of thrombin based on the dual-quenched effect of PEC nanoparticle, which relied on the electron transfer of a bipyridinium relay and energy transfer of AuNPs. After recognition with an aptamer, the PEC nanoparticle was removed and a signal-on PEC biosensor was obtained. Moreover, the bio-barcode technique used in the preparation of PEC nanoparticle could avoid cross-reaction and enhances the sensitivity. Taking advantages of the various methods mentioned above, the sensitivity could be easily enhanced. In addition, in this work we also investigated graphene that was modified with different functional groups and AuNPs of different particle sizes. Under optimal conditions, a detection limit of 5.9×10(-15) M was achieved. With its simplicity, selectivity, and sensitivity, this strategy shows great promise for the fabrication of highly efficient PEC biosensors.