近日，贵州师范学院化学与材料学院班睿教授团队联合南京大学赵伟伟等团队在基于ATP刺激释放DNA超结构的有机光电化学生物传感领域取得进展，在分析传感领域Top期刊ACS Sensors（中科院1区，IF=9.618）发表题为“Tuning the Surface Molecular Charge of Organic Photoelectrochemical Transistors with Significantly Improved Signal Resolution: A General Strategy toward Sensitive Bioanalysis”的研究论文，贵州师范学院为该工作的第一完成单位和通讯单位。
自然界利用分子电荷进行特定的生物反应。针对先进的光电传感器，有机光电化学晶体管 (OPECT) 利用光取代外部栅极电位的优势，有望成为研究光−生物-物质的新型生物分析通用平台。本项工作展现了表面电荷对OPECT生物传感器的高灵敏调谐，以光敏CdS量子点 (QDs) 栅电极为例，该电极与具有三磷酸腺苷 (ATP) 响应的DNA超结构相连接，通过顺序杂交自组装高负电荷的超分子DNA杂交体，经过ATP触发的DNA杂交体解离将导致有效栅极电压的变化，从而将带电分子事件转化为放大的电信号。该工作为未来开发丰富的生物电荷可调谐性OPECT生物传感提供了一种新模式。
如图1所示，在CdS QDs/ITO栅电极上建立了具有高负电荷的超分子DNA结构通过酰胺化将5′-胺化的DNA 1 (ATP aptamer，记为D1) 功能化到羧化的CdS量子点上，随后的DNA自组装在特定区域部分识别的重复序列DNA 2 (记为D2) 和DNA 3 (ATP aptamer，记为D3)。经过ATP处理将解离连接的DNA链，释放D2和D3，极大地降低了负电荷密度同时使得 (3，4乙二氧基噻吩基)：聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT：PSS) 通道在光照下具有良好的传输特性。开发的新型有机光电化学生物传感系统不仅完成了光电接口与靶标相关的超灵敏度调谐，而且还将成为未来OPECT调控和操作的一种新型传感分析方法。
图1. 基于ATP刺激释放响应DNA超结构的生物传感检测示意图
图2. CdS QDs的TEM表征及相关电荷转移机理图；DNA超结构及ATP刺激释放响应过程的凝胶电泳表征；DNA超结构及ATP刺激释放响应过程的电化学阻抗表征；DNA超结构及ATP刺激释放响应过程的光电化学测试表征；ATP刺激释放响应DNA超结构前后的光电流稳定性；OECT器件的稳定性表征。
图3. 零栅偏压下的OPECT生物传感器在光照前后及不同掺杂状态下的光电流响应；OPECT生物传感器双电层机理图。
图4. 所构建OPECT生物传感器的电流响应增益图；OPECT生物传感器对不同浓度ATP的响应及相应的校准曲线；OPECT生物传感器对不同干扰物的响应。
在这项研究中，研究团队提出了一种基于表面电荷的生物调谐和VGeff相应调节的OPECT新型传感器，其具有显著提高的信号分辨率。在该体系中，ATP引发的超分子DNA串联体的拆解可以影响表面负电荷，导致表面电位、通道电导率和ID响应发生变化。值得注意的是，与传统的OPECT相比，该OPECT平台获得了良好的传输特性，并成功地应用于目标物ATP的低限值检测，本项研究的特点是通过调节生物分子电荷用于先进的OPECT生物分析。考虑到自然界中带电生物分子的普遍存在，该方法有望成为OPECT的通用平台，在适当诱导表面电位变化的情况下，探测各种核酸结合、蛋白质识别或生物催化事件。未来对巨大的生物可调性和丰富的光-生物物质相互作用的开发有望产生具有未知特性和应用的创新OPECT生物系统。
该研究成果得到了国家自然科学基金、贵州省科学技术基金、贵州省教育厅创新群体项目、贵州省高层次留学人才创新创业项目、贵州师范学院高层次人才引进科研启动经费项目等的资助。
班睿教授主要从事功能纳米材料的制备及应用、环境污染物分析与控制、光电分析化学等领域的教学和科研工作。已主持省部级以上科研项目10余项，在ACS Sensors、Biosensors and Bioelectronics、Small Structures、Analyst、环境化学等国内外SCI及核心期刊上发表研究论文30余篇。基于班睿教授团队的研究基础及研究成果，在国家自然科学基金委员会近期公布的2022年度集中申报项目资助结果中，班睿教授申报的“基于光敏栅极有机光-电化学晶体管生物传感的构建及其在水体中抗生素检测的应用研究”获国家自然科学基金地区基金项目资助。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acssensors.2c01493
文/图 班睿 审/甄承