近期，重点实验室袁若、袁亚利教授课题组在《Analytical Chemistry》（IF 6.7）上在线发表了题为“Spring Expanding-like Polarity Reversal in Photoelectrochemical Biosensing”的研究论文。

研究背景

极性反转光电化学（PEC）生物传感器因其高抗干扰能力在环境监测、临床诊断和食品监管等领域中具有极高的检测准确性，得到了广泛的认可。因此，人们设计了各种极性反转策略，包括采用外加偏置电压、固载或原位形成相反极性的光电材料等，来实现光电流从一种极性到另一种极性的转变。然而，这些方法通常存在操作繁琐的问题而限制其广泛应用。更重要的是，经典的检测模型通常利用固定背景下的反转光电流的变化进行检测，极性反转的实现主要依赖于信号反转前抑制和反转后放大，从而使得灵敏度较低。虽然向电解液中加入电子供体/受体（如抗坏血酸和H2O2）可以通过抑制光生电子-空穴对的复合来有效放大反向信号以提高灵敏度，但电子供体/受体在室温下不稳定的化学性质容易产生额外的信号，从而降低检测精度。因此，寻求一种新的极性反转策略以实现PEC生物分析的高灵敏度和准确性尤为关键。

研究内容

本研究中发现，与常用的H2O2和抗坏血酸相比，L-cys不仅作为极性转换器通过与Cu和Bi的共价键结合改变能级位置从而反转光电流，而且还提供了相对稳定的电子供体以有效地消耗光生空穴，同时增大了准确度和灵敏度。更重要的是，染料吖啶黄中的氨基和富电子官能团吖啶基团赋予其电化学活性以加速电极和溶液之间的电子转移，从而实现双极协同信号放大以获得放大的光电流变化，这对于克服传统极性反转系统中的信号反转前抑制和反转后放大具有重要意义。鉴于此，采用弹簧伸展型极性反转策略的PEC生物传感器表现出优异的灵敏度和准确度，对铅离子（Pb2+）的检测限达到0.04 fM，在天然水样检中具有良好的抗干扰能力。这项工作为探索一种新的极性反转策略以实现高性能PEC生物分析提供了途径，有望广泛应用于环境监测、临床诊断和食品监管领域。

弹簧伸展型极性反转策略用于PEC传感Pb²⁺示意图：(A) CNCBO的合成；(B) 基于Pb²⁺的循环并输出以形成DNA网络；(C) PEC生物传感器的构建过与提出的可能机理。

研究意义

得益于弹簧伸展型极性反转策略，所构建的极性反转PEC生物传感器表现出优异的灵敏度和准确性。首先，稳定的L-cys同时作为极性转换器和电子供体，不仅实现了极性反转，而且提高了检测灵敏度和准确性。其次，使用吖啶黄作为放信号大器显著加速了光生电子的转移，极大地放大了光电流变化，克服了传统极性反转系统中严格的信号反转前抑制和反转后放大，进一步提高了检测灵敏度。提出的方法在极性反转PEC生物传感器的灵敏度和准确性方面取得了巨大进步，在早期疾病诊断、食品和环境安全方面显示出良好的实际应用前景。