基于ZnS修饰电极构建光电化学生物传感器测定L-半胱氨酸

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240222

摘要/Abstract

摘要：

血清半胱氨酸（L-Cysteine，L-Cys）水平与多种疾病有关，对其进行高灵敏检测具有重要意义。通过电化学沉积法制备硫化锌（ZnS）纳米修饰电极，构建一种基于光电化学催化氧化策略选择性检测L-Cys的新方法。光照下，ZnS纳米粒子形成电子-空穴对。溶液中L-Cys上的巯基（—SH）提供电子占据空穴，同时L-Cys失去电子形成含二硫键（—S—S—）的胱氨酸，完成自身光电化学催化氧化过程，形成光电流，从而实现L-Cys的测定。该光电化学传感器对L-Cys在2~50 μmol/L的响应范围内检测限为0.67 μmol/L。该传感器成功应用于人血清中L-Cys的检测，回收率范围为97.6%~104.6%。

关键词: 光电化学分析, 硫化锌, L-半胱氨酸

Abstract:

L-Cysteine（L-Cys） levels in serum are correlated with many diseases， and their highly sensitive detection is of great significance. A novel strategy for selective detection of L-Cys based on photoelectrochemical catalytic oxidation was developed utilizing the electrochemical deposition of ZnS nanomodified electrodes. Under light irradiation， ZnS nanoparticle underwent a process of electron-hole pair formation. The thiol groups （—SH） on L-Cys in the solution provided electrons to occupy the holes， and the photoinduced electrons on the conduction band were injected into the ITO electrode to form an anodic photocurrent. Meanwhile， the L-Cys in the solution underwent a reduction process， whereby electrons were transferred to form cystine containing disulfide bridge （—S—S—）， which then underwent a photoelectrochemical catalytic oxidation process. The photoelectric conversion efficiency was improved. The photocurrent of the sensor based on the photochemical catalytic oxidation mechanism increased linearly in the concentration range of 2~50 μmol/L， and obtained the detection limit of 0.67 μmol/L. This method was applied to determine the content of L-Cys in human serum， and the recovery rates were in the range of 97.6% to 104.6%.

Key words: Photoelectrochemical analysis, ZnS, L-Cysteine

中图分类号:

O657.1

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图/表 7

图1 ZnS/ITO传感界面的构建及L-Cys的光电化学催化氧化机理示意图

Fig.1 Construction of ZnS/ITO sensing interface and photoelectrochemical catalytic oxidation sensing mechanism diagram of L-Cys

图2 ZnS/ITO的元素分布图SEM （A） and EDS （B） image of ZnS/ITO; Zn （C）; S （D）

Fig.2 Element distribution mappings of ZnS/ITO

图3 ZnS/ITO电极在含10 μmol/L L-Cys 0.1 mol/L PBS（pH=8.00）中的光电化学行为A. The effect of applied potential (Inset: voltametric cycle diagram, a.on light，b.no light); B. Excitation wavelength; C. pH; D. Illumination time

Fig.3 Photoelectrochemical behavior of ZnS /ITO electrodes in 0.1 mol/L PBS （pH=8.00） containing 10 μmol/L L-Cys

图4 ZnS/ITO修饰电极对L-Cys的光电流响应以及相应对数的校准曲线The measured concentrations in 0.1 mol/L PBS （pH=8.00） medium （a-h）： 0， 2， 4， 6， 8， 10， 20， 50 μmol/L L-Cys （from bottom to top）. Experimental conditions： λex=350 nm， Ev=0.3 V

Fig.4 Response of ZnS/ITO electrodes to L-Cys and the corresponding logarithmic calibration curve

表1 各种方法对L-Cys的分析性能

Table 1 Analysis performance of various methods on L-Cys

Method	Linear range/（mol·L^-1）	Detection limit/（mol·L^-1）	Ref.
Capillary electrophoresis	1.0×10^-6~5.0×10^-4	8.76×10^-7	［6］
Fluorescence	0~0.135×10^-3	5.7×10^-6	［8］
Electrogenerated chemiluminescence	10.0×10^-6~100×10^-6	8.8×10^-6	［9］
Colorimetric method	99.9×10^-6~998.7×10^-6	1.0×10^-6	［10］
Liquid chromatography-ultraviolet method	80×10^-6~230×10^-6	4×10^-6	［11］
Electrochemistry	0.5×10^-6~10×10^-6	0.14×10^-6	［12］
Photoelectrochemical method CdS/TiO₂	5.0×10^-9~1.0×10^-6	1.3×10^-9	［22］
Photoelectrochemical method CuO/Cu₂O/C	0.2×10^-6~50×10^-6	0.12×10^-6	［23］
Photoelectrochemical method ZnS	2×10^-6~50×10^-6	0.67×10^-6	This work

图5 光电化学L-Cys传感器的EIS（A）、特异性（B）、重现性（C）及稳定性（D）测定

Fig.5 Investigation of EIS （A）， specificity （B）， repeatability （C） and stability （D） of L-Cys photoelectrochemical sensor

表2 血液样品中L-Cys的测定结果

Table 2 Determination of L-Cys in human serum samples

Sample	Added/（μmol·L^-1）	Found/（μmol·L^-1）	Recovery/%	RSD/%（n=3）
1	0	10.17	-	3.2
2	5	15.16	99.8	4.3
3	10	19.93	97.6	3.5
4	20	31.09	104.6	2.7

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