Ti3C2-MgIn2S4异质结与可控释放策略集成用于miRNA光电传感器设计

摘要从光电化学传感机理入手，对光电化学传感技术进行了归类，并对各种光电化学传感技术进行了综述。总结了光电化学传感技术的发展方向和前景。光电极修饰工艺的恶劣操作条件和耗时的制造工艺限制了光电化学（PEC）传感器的潜在应用。为了克服这些缺点，本研究引入了一种独特的用于microRNA-155（miRNA-155）检测的分开型PEC生物传感器。具体而言，采用Ti3C2/MgIn2S4异质结作为光敏材料，并采用由多功能卟啉基金属有机骨架（PCN-224）组成的靶控葡萄糖释放系统进行信号放大。Ti3C2/MgIn2S4异质结有效地分离了光生电子和空穴，提高了光电转换效率，为PEC生物传感过程中提供了较强的初始光电流信号。与此同时，多孔的PCN-224作为灵活的纳米容器，使用捕获探针（CP）封装葡萄糖。在miRNA-155存在的情况下，CP形成CP-miRNA-155复合物，然后与PCN-224分离，可控地释放被捕获的葡萄糖。葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖产生的H2O2，过氧化氢对Ti3C2/MgIn2S4表面产生的空穴起到清除作用，显著增加了可见光照射下的光电流信号值。最后，该传感器表现出良好的miRNA-155检测性能，检测限低（0.17fM），线性范围宽（0.5fM-1.0nM）。因此，本文提出的基于Ti3C2/MgIn2S4的分开型PEC传感器是一种很有前途的miRNA-155敏感准确检测工具，为其他高性能传感器的创新制备提供了基础。关键词：光电化学；纳米材料；异质结；分开型生物传感器；金属有机骨架ABSTRACT

Starting

from

the

principle

of

PEC

sensor,

it

classifies

it

and

summarizes

different

sensing

strategies

of

PEC.

Finally,

the

development

trend

and

prospect

of

PEC

biosensor

are

summarized.Theharshoperatingconditionsandtime-consumingfabricationprocessofthephotoelectrodemodificationprocesshavelimitedthepotentialapplicationsofphotoelectrochemicalsensors.Toovercomethesedrawbacks,thisstudyintroducedauniquesplit-typePECbiosensorformicroRNA-155(miRNA-155)detection.Specifically,aTi3C2/MgIn2S4heterojunctionwasadoptedasthephotosensitivematerial,andatarget-controlledglucosereleasesystem,comprisingamultifunctionalporphyrin-basedmetal-organicframework(PCN-224),wasusedforsignalamplification.TheTi3C2/MgIn2S4heterojunctioneffectivelyseparatedthephotoelectronsandholes,andamelioratedtheconversionefficiencyofphotoelectricity,offeringastronginitialphotocurrentsignalduringPECbiosensing.Meanwhile,theporousPCN-224actedasanimblenanocontainerthatencapsulatedglucoseusingacaptureprobe(CP).InthepresenceofmiRNA-155,theCPformedaCP-miRNA-155complexandthendetachedfromPCN-224,controllablyreleasingthetrappedglucose.Theoxidizationofglucosebyglucoseoxidaseresultedinhydrogenperoxidegeneration,whichactedasascavengerfortheholesgeneratedonthesurfaceofTi3C2/MgIn2S4,andsignificantlyimprovedthelightcurrentrespondundervisiblelightirradiation.Finally,thesensorexhibitedgoodperformanceformiRNA-155detectionwithalowdetectionlimit(0.17fM)andwidelinearityrange(0.5fM-1.0nM).Thus,theproposedTi3C2/MgIn2S4-basedsplit-typePECsensorisaprospectivetoolforsensitiveandaccuratecheckofmiRNA-155andprovidesaninnovativebasisforthepreparationofotherhigh-performancesensors.Keywords：photochemistry；nanomaterials；heterojunction；Separate

type

biosensor；Metal-organic

skeleton1前言1.1光电化学传感器的研究背景和意义随着工业的发展，环境污染的加剧，各种疾病的发生，人们对仪器的便捷性、快速性以及背景信号的敏感性提出了更高的要求。光电化学分析技术的本质是电化学原理，具有广阔的适用范围。该技术不但能检测到各种环境中的重金属和有机杀虫剂，而且能检测DNA、细胞、蛋白质、抗原、抗体等。与电致化学发光（ECL）、电化学分析等技术相比，光电电化学分析技术更具优越性[1]。光电化学分析与电致化学发光分析的工作机理完全不同，即光电化学分析中的光电化学分析与电致化学分析有着本质的区别。该方法类似于电致化学发光，但其探测信号与激发光源分离，所以背景信号相对较低。这种制备技术具有成本低、灵敏度高、操作方便等特点。而利用同样的光敏材料对同样的物体进行检测，则可以降低探测下限。因此，基于该方法的光、电、化学分析方法受到人们的高度重视[2-3]。当前，以光电化学为基础的生物传感技术，利用各种分析和探测手段，对光电化学过程中光电信息进行探测。在此，我们总结了基于电活性物质的光电化学生物传感技术的研究进展[4]，基于生物亲和机理的光电化学生物传感技术[5]1.2光电化学传感器的基本分类光电电化学（PEC）技术已被广泛地用于生命科学中，并已有一系列的研究结果。在光电化学生物传感技术迅速发展的基础上，产生了一系列的光电化学生物传感技术。按照检测基准，光电化学传感可划为电势型和电位型（主要是光学寻址电位型）两类。自从Hafeman于1988年首次报道了一种基于电解质-绝缘体-半导体的新型传感器件之后，光学寻址电位型传感器件受到了极大的重视，并且得到了越来越多的应用。光寻址传感器被广泛用于检测离子[11]、细胞[12]、DNA[13]及免疫分子[14]等多个领域。由于这种方法使用起来比较简便，所以比较普遍。按其与生物体的结合机理，目前已知的主要有两种类型：催化式和亲和式。按照光电活性物质的类别划分，它可以被划分成金属复合物型、小有机分子型、纳米复合物型和半导体纳米颗粒型等。除此之外，根据传感器的类型还可以划分为：电活性物质型、空间位阻型和酶标记型等。1.3光电化学传感器不同传感策略的应用光电化学是一种新的研究方向近年来发展起来的，它能够对生物大分子进行特异性的检测和处理。光电电化学传感技术将光学检测技术与电化学技术有机地融合在一起，由于其适合小型化、高安全性、成本低等特点，被认为是一种新兴的传感技术。目前，基于被测物质自身特性的多种光电化学分析方法均表现出较高的灵敏性，为进一步发展光电化学分析技术奠定了坚实的基础。利用光敏材料作为标记，通过对其光电流进行调制，达到对目标物进行探测，是目前最简单的一种方案。这一节将重点介绍PEC传感器中的不同分析策略，以便让读者更加清晰地认识到它们的应用范围以及它们的优点和缺点。1.3.1光电活性物质做标记将有机小分子、金属配合物和量子点等有机分子用作光电化学传感材料。该材料既可以通过插入DNA分子中进行电子传输，也可以通过与DNA分子末端相连实现对DNA分子的光响应增强。蒽醌类化合物（AQ）作为光敏剂和还原试剂，被应用于光电检测领域。基于此，Okamoto等首先将蒽醌类化合物引入到光电化学传感体系中，并将其植入到DNA分子中，使其与DNA分子发生交互影响，从而产生良好的光电化学传感性能。该阴极电流是由将双链DNA接枝到金电极上，并利用静电作用在DNA中插入蒽醌类分子而得到的（见图1.1）。通过研究发现，光生空穴在DNA间的输送效率被核酸序列强烈影响，换句话说，空穴转移效率会因为空穴之间距离的增加而下降。图1.1AQ修饰的DNA链修饰在金电极上的电流产生机制图吲哚二吡啶类（Ru-bipy）化合物是一类重要的荧光探针，在光电化学等领域具有重要的研究价值。研究人员利用两个PIND与Ru(bpy)22+偶联，制备出一类新型的具有双重嵌入性的联吡啶类光敏体（PIND-Ru-PIND）。PIND-Ru-PIND是一种新型的具有高比表面积、高比表面积和高比表面积的多级结构的金属氧化物。在循环过程中，草酸起到了一个电子供体的作用，并对其进行了信号放大。利用这类材料的低分解特性以及核酸/PIND-Ru-PIND材料优异的光电特性，有望在无模板PCR条件下，实现对核酸分子的高灵敏分析。与伏安法相比，该方法的敏感度提升了4个数量级。有机小分子既能充当电子载体，通过改变其所带的电流，实现对靶物质的探测，又能对DNA的损伤进行探测。研究人员在前期研究的基础上，发展了两种DNA损伤探测新技术。一种是以氧化为基础的光电化学法（如图1.2（A）），一种是光电指示剂（如图1.2（B））。结果表明，该技术将全部反应物都固定在了电极上，且反应物均被固定在了电极上，因此，该技术更为便捷。而内嵌的方式由于其高的信号强度，基本上无须光电流探测器。本项目将发展一种基于光电化学传感技术的DNA损伤分析新技术。但该类技术对双氧水（H2O2）的要求较高，且仅能对与DNA相互作用的有机化合物进行分析，因而不适合用于生物信息学分析。为解决上述问题，研究人员随后提出了一种新型的基于光生载流子输运特性的新型纳米材料，可实现对生物组织中DNA分子的实时在线实时监测。在有葡萄糖的情况下，酶产生双氧水（H2O2）与铁离子（Fe2+)反应，生成-OH。以具有较强亲和力的DNA插入基团（例如，二吡啶基等）为探针，提出了一种新型的可用于DNA双链识别的光电化学分析新方法。该双链DNA加入Ru(bpy)2dppz的溶液中，其埋入DNA的凹陷中，并朝着电极的方向扩展。DNA与草酸负离子间的静电斥力使其电流明显降低。图1.2（A）光电化学催化氧化和（B）光电指示剂检测DNA损伤的原理图除有机小分子外，无机半导体还可用作光电活性物质，从而改变光响应。研究人员利用介孔二氧化钛（TiO2）的高Cu2+(Cu2+-TiO2）实现了基于g-C3N4的光电化学传感（图1.3）。该结构是在前期TiO2光电转换效率高，光电性质优良的基础上提出的。利用g-C3N4构筑光电化学传感器，实现对水中Cu2+的高灵敏、高Cu2+的光电化学响应。在此基础上，利用光电化学传感技术，可有效地增强光电化学传感系统的检测灵敏度。传统的g-C3N4改性方法存在着载流子迁移率低、光吸收能量受限、光生载流子的快速复合等问题，导致其光电性能不够理想等问题。将抗体、BSA及抗原分别接枝在其表面后，因其空间位阻及蛋白非导电特性，使其在电极表面的电流更小。但将Cu2+-TiO2引入到双电阻（Ab2）中，TiO2的高光电转化效率使其在Cu2+的作用下，其光电流也随之增大。因而，该光电化学传感器对其光、电信号进行了二次放大，极大地增加了其探测灵敏度图1.3（A）PT-Cl/C3N4纳米片薄膜；（B）Cu2+–TiO2–Ab2和（C）NMP-22传感器的构建示意图另外一个简便的办法是将量子点用作标记。利用量子点较高的光电转化效率，在其表面进行荧光探针与荧光探针结合，可以有效改变荧光探针与荧光探针之间的相互作用，提高荧光探针的灵敏度。研究人员通过对免疫细胞表面的量子点进行修饰，建立了一种可对IL-6进行荧光增敏的光电化学传感器（图1.4所示）。以此为基础，在将电极上被量子点标记的抗原改时，强化的电信号以达到光电流信号放大的作用，进而提升了对IL-6的检测灵敏度。图1.4PEC免疫传感器构建的示意图1.3.2空间位阻其中，最简单的一种方式就是通过空间位阻来实现对光电流场的调制。至于位阻探测，则是用来探测蛋白质，比如抗体（Ab），抗原（Ag）等。下面就是一个关于抗体测试的例子。利用光电化学传感器对抗原进行识别，通过对被识别的抗原（光电化学标志物）进行识别，提高被识别抗原的电流响应。而最简便的测定方式，则是先将抗体与电极结合，然后再将被测定的抗原结合在电极上。由于蛋白本身是非传导性材料，当被测抗原与电极结合时，其空间位阻增加，使其无法进入电极，从而导致电流降低。然而，这种方法存在着检测灵敏度不高的问题。在此基础上，还可以通过对目标蛋白进行化学键合，从而增加目标蛋白的位阻，降低目标蛋白的电流，从而达到增强目标蛋白识别能力的目的。一些研究人员就是利用这种方法，对其进行了测定，并对其进行了初步的研究（图1.5所示）。金纳米颗粒被先被接枝到Bi2S3改性的ITO电极上，再由硫磺基团与金纳米颗粒间的相互作用，将半胱氨酸接枝于金纳米颗粒上。接着，由蛋白激酶A催化，使其发生磷酸化。然后，通过磷酸酯酶与磷酸酯酶的特异结合，实现对磷酸酯酶的生物素修饰。因为这种蛋白是不能传导的，因此，电流就会骤然降低。接着，通过对该蛋白的选择性识别，对其进行持续地化学修饰，使其在电极表面的电化学行为进一步降低。用多种方式对蛋白质进行改性，可以在不同程度上提高空间位阻，从而导致电流下降显著，降低了传感器的检出限。图1.5基于Phos-tag的PEC生物传感器的构建示意图然而，通过对其他蛋白进行改性来提高其位阻值，这种方式也有其不足之处。这种方法不但费用昂贵，耗时长，还增加了测试过程的复杂性。于是，人们开始思考，能否找到更加便捷、高效的信号增强方式。纳米SiO2因其尺寸均一、比表面积大、低毒性、生物相容性好、良好的稳定性、价格低廉而成为生物医药与检测的研究热点。由于纳米SiO2导电性能较低，且易于进行官能化改性，因此通常采用纳米SiO2作为光电化学传感材料。此外，纳米二氧化硅（SiO2@Ab2）具有高比表面积，可用作多种Ab2的负载材料。本项目拟采用SiO2@Ab2复合物来改性传感器，通过SiO2与多层Ab2协同作用，实现对光电特性的抑制，从而实现对光电特性的有效调控，从而实现对光电特性的有效调控。研究人员率先将二氧化硅二电阻应用于光电化学生物传感领域，使其具有更强的探测能力。由TiO2-NT分别对CdS:MnQDs和CdTeQDs进行了改性。如图1.6所示，最终获得TiO2-NTs、CdS:MnQDs和CdTeQDs三种材料，并对它们进行协同敏化，获得具有强烈的光电性能。再通过-COOH和-NH2反应，将抗体修饰到CdTeQDs上，再通过BSA对其进行功能化。在此基础上，通过对反应部位进行化学键合，实现对反应部位的化学键合。因为这三个步骤都被改变了，因此，电流会慢慢地减少。但是，当SiO2@Ab2改性到电极上后，其表面的电流就会明显降低图1.6夹心式PEC免疫传感器的构建示意图1.3.3酶标记近年来，基于“夹心”式的检测方法被广泛应用于电化学检测中，这种“夹心”结构能够实现对检测结果的放大。随后，该方法被研究人员用于光电化学传感。尽管该方法简便，但是由于待测物质的加载量较小，并且无法实现对检测结果的增强，因此，基于该方法，人们正在寻求新的突破点。此后，基于酶标记的“夹心”式光电化学传感器被广泛应用于检测领域。2010年，研究者率先在此领域有了新的进展，利用GOx（GOx）将Au与单克隆抗体结合，实现了对Au的某种信号的某种放大（见图1.7）。在此基础上，将GOx与TiO2-NTs结合，使其在葡萄糖缓冲液中进行检测。而TiO2-NTs价带上的空穴被作为电子供体的H2O2捕捉，这样就能降低电子空穴的复合率，从而让本传感器发生比较明显的电信号改变。图1.7TiO2-Au-Ab1-a-SYN-{Ab2-Au-GOx}免疫传感器的构建步骤及a-SYN的检测图虽然使用GOx标记放大了信号，但是在一端形成免疫复合物，而在电极的另外一端出现检测信号，引入的酶标GOx也仅仅是催化基底产生H2O2的作用，对传感器并没有明显的信号放大。因此，科研人员一直在寻找更好的检验手段。随后，有研究人员利用辣根过氧化物（HRP）对其进行了免疫荧光分析，结果极大地增强了其对免疫细胞的识别能力。由于HRP能将1-氯化萘-4-CN（4-CN）转化成BCP沉积于电极表面，增大了电子转移的阻力，增大了降低的电流，有望提升检测的灵敏度，因此受到了广泛关注。在图1.8中，Ab1先被修饰至CdSQDs修饰的电极，然后顺序地被修饰至Ag和Ab2，并且按照顺序，电流被降低。而在电极表面引入HRP标记的Ab2后，其所产生的电流明显降低。一方面，由于HRP在有H2O2的条件下，会对4-CN生成沉积物进行催化，沉积物粘附在电极表面，既是绝缘层，又会增大空间位阻，从而会对电子的传输造成极大的障碍，导致信号大大降低。另外，由于HRP在一定的波段，对光线有较大的吸收，所以其对光线的反应也会降低。图1.8基于QDs放大及HRP催化产生BCP的夹心式免疫检测原理图目前，除以HRP为标记建立弱化光电化学传感体系之外，人们也逐渐将碱性磷酸酶（ALP）作为标记来建立信号增强的光电化学传感体系。研究人员利用ALP酶建立了用于监控CML药物表现的光电化学传感器（见图1.9）。本项目提出了一种新的检测方法，即在无改性ALP的情况下，检测溶液中没有特定的给电子物质，因此检测电流相对较低。然而，当将碱性磷酸酯接枝到电极表面时，碱性磷酸酯酶将碱性磷酸酯水解制得的碱性磷酸酯可用作电子给体捕集空穴，提高其光电性能。光电信号产生显著改变，以达到探测靶点的目的图1.9多重信号放大的光电化学传感器的组装示意图1.4本文研究计划我们计划将Ti3C2/MgIn2S4异质结与可控释放策略集成用于miRNA-155光电传感器设计，希望以Ti3C2/MgIn2S4异质结为光敏材料，以葡萄糖包封的卟啉基MOF（PCN-224,PCN:多孔配位网络）为信号指示载体，所制备的体系在miRNA-155浓度增加时出现相应的增强PEC响应信号。在这种靶诱导的PCN-224信号释放分子扩增策略的控制下，分开型PEC系统提供了高效和超高灵敏度的miRNA-155检测。本研究提出了一种创新、有前景的分开型PEC平台，用于低丰度miRNA-155的高精度测试。与文献报道的传统miRNA-155检测系统相比，该系统实现了更低的miRNA-155检测限。2Ti3C2/MgIn2S4异质结与可控释放策略集成用于miRNA-155的分开型光电电化学传感2.1引言监测超低水平生物标志物在蛋白质鉴定、药物评价和癌症早期诊断等生物医学应用中至关重要[12-17]。一些研究集中在光电化学（PEC）生物分析上，以实现体外生物检测技术。得益于快速和特异性的抗原-抗体识别反应，光电化学生物分析在体外生物检测技术中具有易于集成、操作方便和准确性高等特点，引起了人们极大的兴趣[18-20]。然而，大多数PEC生物传感器是通过将目标识别单元的生物识别分子（如适配体、抗体和多肽）预先固定到电极表面而构建的[21-23]。当紧密固定在电极上时，生物认知分子会失去部分生物活性[24,25]。而且，传统的PEC生物传感器固有的缺点是稳定性和可重复性差，制造过程复杂且耗时。为了解决这些问题，研究人员提出了分开型PEC检测模式，它是一种理想的检测方法。该方法在远离电极的地方进行生物过程，所以排除了生物识别系统和检测系统之间的交互干扰[26-28]。此外，由于PEC生物传感器的生物识别过程是在液相中进行的，而不是在固液相界面中进行的，因此较于传统生物传感器，PEC生物传感器的再现性和稳定性有望提高。事实上，优秀光伏材料的设计对于高性能分开型生物传感平台至关重要。MgIn2S4是一种三元金属硫族半导体，具有合适的带隙（2.1–2.3eV）、优异的光电响应和无毒特性，在光催化领域显示出巨大的前景。但MgIn2S4的光电转换效率较低，可见光响应有限，限制了其应用。近年来，Ti3C2MXene纳米片因其优异的电子空穴分离迁移率、大的比表面积和良好的生物相容性而被应用于传感器的制备[29]。此外，Ti3C2MXene具有丰富的表面基团（例如，-OH，-F和-O），能够与其他半导体构建异质结结构。同时，由于电子耦合和强烈的物理效应，光生载流子在异质结上的转移和分离效率可以显著提高。因此，Ti3C2MXene和MgIn2S4可以结合成一种新型材料（Ti3C2/MgIn2S4），利用这两种材料的显著优势进行先进的PEC生物分析。此外，具有类金属性质的Ti3C2MXene具有合适的费米能级（Ef）与MgIn2S4形成肖特基结，从而促进光激发电荷的转移和分离。因此，以Ti3C2/MgIn2S4为光电转换材料，制备分开型PEC生物传感器是可行的。金属有机骨架MOFs具有各种吸引人的特性，包括大孔隙体积、高负载能力、可调结构、可调尺寸和多功能性[30,31]。由于MOFs具有较高的孔隙率，增加了孔隙形状的可调性，因此可以作为纳米载体负载信号生成分子，并在特定刺激下释放它们[32-34]。在这种情况下，将MOFs引入分开型传感平台可以实现对目标的无标记检测。更重要的是，在MoFs中选择和修饰特定的盖帽材料，可以特异性识别分析物，这是准确检测肿瘤生物标志物的前提。本研究以Ti3C2/MgIn2S4异质结为光敏材料，以葡萄糖包封的卟啉基MOF（PCN-224,PCN:多孔配位网络）为信号指示载体，实现对microRNA-155（miRNA-155）的高灵敏度检测（图2.1）。首先将葡萄糖作为信号放大分子装载在PCN-224的孔隙中，再用特制的捕获探针（CP）将其密封。miRNA-155的加入导致设计的CP链延伸，然后与PCN-224分离。当分子通道打开时，葡萄糖分子从PCN-224中释放出来，并被葡萄糖氧化酶（GOx）原位氧化生成过氧化氢（H2O2）分子，过氧化氢清除了Ti3C2/MgIn2S4的孔洞。通过巧妙集成Ti3C2/MgIn2S4异质结作为光活性材料，所制备的体系在miRNA-155浓度增加时出现相应的增强PEC响应信号。在这种靶诱导的PCN-224信号释放分子扩增策略的控制下，分开型PEC系统提供了高效和超高灵敏度的miRNA-155检测。2.2实验部分2.2.1Ti3C2/MgIn2S4异质结的合成用Ti3C2纳米片（买来的Ti3C2纳米片）修饰的MgIn2S4纳米花异质结通过后水热步骤合成（图2.1A）。简单地，将Ti3C2（1.5g）、MgCl2⋅6H2O（0.1016g）、InCl3⋅4H2O（0.2932g）、TAA（0.3005g）有序地溶解在乙二醇（70mL）中，得到混合溶液。接下来，将均相溶液密封在25mL特氟龙内衬的高压灭菌器中，在180摄氏度反应12h。降温至室温后，用去离子水和乙醇冲洗多次后收集，在60摄氏度下干燥过夜。相比之下，原始MgIn2S4是在相同的条件下制备的，没有Ti3C2。2.2.2将葡萄糖装入PCN-224，CP封盖PCN-224是根据先前报道的文献制备的。通常，将ZrOCl4（60mg），H2TCPP（40mg），苯甲酸（2160mg）和PVP（40mg）分散在DMF（6.4mL）中，并在反应釜中以120摄氏度加热6h，然后收集，用DMF和无水乙醇在6000rpm下冲洗数次10min，并在60摄氏度下干燥。然后，将得到的PCN-224（20mg）浸入含有2.0M葡萄糖分子的去离子水中，并在室温下搅拌过夜。随后，将中孔PCN-224与CP混合并在25摄氏度下轻轻搅拌4h。最终产物离心后用去离子水清洗，然后分散在1.0mL0.01MPBS缓冲液（pH=7）中。2.2.3分开型PEC生物传感平台的制造将葡萄糖负载的PCN-224（20μL）用60μLPBS（pH=7）稀释，并与不同浓度的miRNA-155（20μL）样品混合。将整个混合物在室温下摇动50min，然后将混合物离心几次。之后，将上述上清液滴入4mLPBS中作为PEC测定的电解质。在修饰之前，用丙酮，乙醇和超纯水仔细地预清洁氟掺杂氧化锡（FTO）电极（有效面积：0.25cm2），然后在氮气（N2）气氛下干燥20min。在裸FTO电极上注入100μL6.0mg/mLTi3C2/MgIn2S4液液组装Ti3C2/MgIn2S4，在37摄氏度下干燥12h，将Ti3C2/MgIn2S4修饰电极作为工作电极。最后，将Ti3C2/MgIn2S4电极置于0.1MPBS（含1.0mMGox）中进行进一步的PEC测试。2.3结果和讨论2.3.1分开型PEC生物传感平台设计为降低复杂电极修饰引起的背景噪声，以Ti3C2/MgIn2S4复合光敏材料为miRNA-155检测光敏材料，在可控释放体系基础上制备了一种新型的分离型PEC生物传感平台。通过水热反应在Ti3C2纳米片上原位生长了一层薄薄的MgIn2S4纳米花（图2.1A）。由于超薄结构的电荷输送距离短，界面接触面积大，Ti3C2/MgIn2S4异质结可以表现出较高的载流子迁移率，暴露在光源下可以赋予自身明显的初始光电流信号。如图2.1B所示，以Zr团簇和TCPP组成的介孔PCN-224为纳米载体封装葡萄糖分子，再由CP进行门控。一旦引入目标分析物，miRNA-155和CP的识别和杂交促进了miRNA-155-CP复合物的形成，miRNA-155-CP复合物从PCN-224中解放出来，可控释放包裹的葡萄糖。当大量葡萄糖分子从孔中释放出来时，溶液中的GOx有效地催化葡萄糖氧化生成H2O2，从而有效地触发Ti3C2/MgIn2S4表面孔捕获以获得放大信号(图2.1C)。显然，光电流强度与葡萄糖释放量成正比，而葡萄糖释放量取决于miRNA-155的含量。此外，所设计的分开型PEC系统只需改变特定的靶点和捕获探针，即可轻松实现对其他肿瘤生物标志物的超灵敏检测，为各种生物标记的精确检测提供平台。因此，所开发的分开式[18]PEC生物传感系统具有很大的潜力，为生物分析和医学诊断铺平了道路。2.3.2形态特征采用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察纯Ti3C2、纯MgIn2S4和Ti3C2/MgIn2S4异质结的形貌。如图2.2A和B所示，Ti3C2呈片状、厚度超薄，纯MgIn2S4由许多具有特殊花状形态的纳米微球组成。经过水热反应后，如图2.2C和D所示，Ti3C2纳米片被非常薄且互锁的MgIn2S4纳米片完全包裹，Ti3C2/MgIn2S4纳米材料由覆盖在Ti3C2纳米片衬底上的小MgIn2S4纳米片组成.在HRTEM图像（图2.2E）中，0.32nm晶格条纹表归因于MgIn2S4的（311）晶面，0.26nm的晶格条纹是Ti3C2的（0110）晶面，说明两种材料紧密结合，异质结成功形成为了。进一步说明Ti3C2/MgIn2S4的分布，在图中进行了能量色散光谱（EDS）元素映射。在制备的Ti3C2/MgIn2S4异质结中观察到Ti、C、Mg、In和S等分布良好的元素，进一步证明了MgIn2S4纳米花均匀地包裹在Ti3C2纳米片表面。在图2.3A中，7.1◦处的衍射峰与Ti3C2四方结构的（002）晶格平面（曲线a）吻合较好。在曲线b中，3个强特征衍射峰分别出现在27.8◦、41.8◦、48.3◦，分别对应六方MgIn2S4（JCPDS卡号：31-0792）的（311）、（422）和（440）个平面。值得注意的是，Ti3C2/MgIn2S4的特征峰强度与Ti3C2和MgIn2S4的特征峰强度相似（曲线c），证明了Ti3C2和MgIn2S4的成功结合。然后利用X射线光电子能谱（XPS）研究了Ti3C2/MgIn2S4混合物的化学状态和表面原子组成。图2.1分离式PEC生物传感平台的设计：（A）Ti3C2/MgIn2S4光活性材料的制备；（B）cp-capPCN-224和miRNA-155识别的制备，（C）分开型PEC生物传感器的结构示意图图2.2(A)Ti3C2，（B）MgIn2S4和（C）Ti3C2/MgIn2S4的SEM图像；（D）Ti3C2/MgIn2S4的TEM和（E）HRTEM图像；（F）Ti、C、Mg、In、S的EDS元素映射图图2.3（A）Ti3C2（a）、MgIn2S4（b）、Ti3C2/MgIn2S4（c）的XRD图谱2.3.3改性PCN-224的表征SEM和TEM图像（图2.4A和B）显示PCN-224具有直径约1μm的立方体形状。同时，根据PCN-224的N2吸附-解吸等温线和巴雷特-乔伊纳-哈伦达（BJH）孔分布（图2.4C），得到的PCN-224的孔径为2.47nm，布鲁诺尔-埃米特-泰勒（BET）表面积为2213m2g−1，保证了葡萄糖分子的有效负载。此外，修饰的官能PCN-224的表面电荷变化由zeta电位描述（图2.4D）。CP首先被共轭到PCN-224的表面上，以覆盖PCN-224的孔出口。PCN-224吸附带负电荷的CP后，PCN-224的zeta电位值由19.1mV变为−17.2mV，随着靶miRNA的添加，由于生物门CP的分离，zeta电位值从-17.2mV增加到-7.2mV。并通过紫外可见分光光度计进一步证明CP封端PCN-224的成功制备。2.3.4分开型PEC生物传感平台的可行性研究为了验证所提出的分开型PEC生物传感平台的可行性，研究了Ti3C2/MgIn2S4光电极在不同浓度H2O2电解质中的光电流强度。与背景信号（曲线a）相比，添加H2O2时c曲线信号变化较大，而不添加H2O2时c曲线信号变化几乎不存在（曲线b），证明了PEC生物传感平台的可行性。此外，我们进行了对照实验，以确认光电流的增加是由于miRNA-155控释系统中的葡萄糖，而不是miRNA-155本身或其他因素。同样，加入CP封住葡萄糖负载的PCN-224后，光电流的变化也不明显（曲线c）。miRNA-155与cp封住的葡萄糖负载PCN-224共存导致光电流明显增加（曲线d）。所有这些结果表明，利用PEC传感系统检测miRN