近红外驱动的多功能PEC传感器:检测及灭活细菌的新利器

1、引言

细菌引发的食源性感染严重威胁人类健康,因此快速检测和有效灭活细菌至关重要。光电化学(PEC)技术有望成为新型细菌检测平台,其具有操作简便、响应快速等优势。然而,PEC传感器的灵敏度受限于所用光电极材料的性能。聚多巴胺(PDA)作为有机半导体材料,在近红外(NIR)区域具有出色的光电转换效率,且具有良好的生物相容性。同时,二氧化锰(MnO₂)不仅具有高导电性,还表现出酶模拟活性,有利于细菌的氧化灭活。因此,基于PDA/MnO₂复合材料构建的PEC生物传感器具有检测和灭活细菌的多功能潜力。

方案1.基于PDA/MnO₂/SA31/GCE的多功能PEC生物传感器的示意图，用于检测和灭活细菌

2、结果与讨论

2.1 PDA/MnO₂复合材料的构建与表征

通过自聚合法制备了PDA纳米颗粒,并利用氧化还原反应在PDA表面原位沉积MnO₂纳米颗粒,形成PDA/MnO₂复合材料。扫描电镜表征显示,PDA呈现均一的球形结构,经过MnO₂包覆后呈现粗糙的形貌。X射线衍射和X射线光电子能谱分析证实了MnO₂的成功引入。UV-Vis吸收光谱显示,PDA具有广泛的吸收范围从紫外到近红外区域,与MnO₂的特征峰相结合,PDA/MnO₂表现出优异的光吸收性能。

2.2 基于PDA/MnO₂的光电化学性能

通过调控PDA的能带结构,计算其最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO),结果表明PDA可以在808 nm近红外光激发下产生光生载流子。进一步测试PDA/MnO₂的光电转换效率,结果显示其在近红外区域具有良好的光电响应。同时,PDA/MnO₂复合材料表现出优异的电化学性能,有利于实现高灵敏度的光电化学生物传感。

2.3 细菌检测及灭活机制

将S. aureus特异性识别的SA31适体共价键合到PDA/MnO₂光电极表面,当S. aureus结合到适体后,会产生空间位阻效应,导致光电流信号下降,从而实现对细菌的检测。值得注意的是,PDA/MnO₂复合材料具有过氧化酶样活性,可以在H₂O₂的协助下,通过自由基催化机制有效破坏S. aureus的细胞结构,实现细菌的灭活。此外,对被灭活的细菌脱附会导致光电极上活性位点的暴露,从而引起光电流信号的恢复,实现"信号开关"。同时,调节近红外光功率还可以进一步增强PDA/MnO₂的光热效应,促进细菌的协同灭活。

3、结论

本工作设计了一种基于PDA/MnO₂复合材料的NIR驱动多功能PEC生物传感器,实现了对S.aureus的快速检测和高效灭活。该传感器可通过光电流信号变化实现对细菌的定量检测,并利用PDA/MnO₂复合材料的过氧化酶模拟活性和光热效应进行协同灭活。这为构建集检测和消毒于一体的新型细菌分析平台提供了新思路,在食品安全等领域具有潜在应用价值。未来可进一步优化传感器性能,在更复杂基质中拓展应用范围,为快速准确的细菌检测和无害化处理提供技术支撑。

参考文献

Anni Cui, Lihua Dong, Yiting Hou, Xin Mu, Yu Sun, Huan Wang, Xiahua Zhong, Guiye Shan, NIR-driven multifunctional PEC biosensor based on aptamer-modified PDA/MnO₂ photoelectrode for bacterial detection and inactivation, Biosensors and Bioelectronics, Volume 257, 2024, 116320, https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116320.