基于CuInZnS量子點結合雙信號擴增策略構建電化學發光生物傳感器應用于miRNA-141檢測

摘 要： 采用一鍋水熱法合成低毒發光底物CuInZnS量子點，并利用透射電子顯微鏡、熒光光譜儀、X射線衍射儀、紅外光譜儀和紫外-可見分光光度計等對其組成、吸光范圍進行表征.然后依次將量子點、二茂鐵（Fc）標記的發卡DNA3 （H3）組裝到電極上，由于Fc和CuInZnS量子點之間發生能量和電子轉移，CuInZnS量子點的電致化學發光信號被Fc淬滅.最后，通過T7核酸外切酶輔助循環擴增產生的輸出DNA打開H3的發夾結構.在輔助因子Zn2+的協助下，DNA剪切酶將Fc-H3裂解，誘導Fc標記的DNA片段從電極釋放出來.當大量Fc標記的DNA片段被移除時，ECL信號恢復.根據這種量子點ECL信號的“淬滅-增強”機制，構建了超靈敏的miRNA-141 ECL生物傳感器，線性范圍為10-8～10-15 mol/L，檢測限低至0.37 fmol/L，為早期癌癥的診斷和監測提供了一種具有潛力的檢測策略.

關鍵詞： CuInZnS量子點；電致化學發光；雙信號擴增； 信號猝滅；microRNA

中圖分類號：O6571 文獻標志碼：A 文章編號：1673-4807（2025）01-078-06

Construction of electrochemiluminescent biosensors based onCuInZnS quantum dots combined with dual-signal amplificationstrategy for miRNA-141 detection

CHEN Chuanxiang ZHU Jiawan WANG Yinzhu

（1.School of Environmental and Chemical Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

（2.School of Food and Light Industry， Nanjing University of Technology， Nanjing 211816， China）

[WT5HZ][HJ*4]Abstract：[WT]The low-toxic luminescent CuInZnS quantum dots were first synthesized by a one-pot hydrothermal method and characterized by transmission electron microscopy （TEM）， fluorescence spectrometry （PL）， X-ray diffractometry （XRD）， infrared spectroscopy （FTIR） and ultraviolet-visible spectrophotometer （UV-vis） for their composition and absorbance range. The quantum dots， ferrocene （Fc）-labeled hairpin DNA3 （H3） were sequentially assembled onto the electrodes， and the electrochemiluminescence （ECL） signal of CuInZnS quantum dots was quenched by Fc due to the energy and electron transfer between Fc and CuInZnS quantum dots. Finally， the output DNA generated by T7 nucleic acid exonuclease assisted cyclic amplification opened the hairpin structure of H3. With the assistance of cofactor Zn2+， DNA shearase cleaved Fc-H3 and induced the release of Fc-labeled DNA fragments from the electrode. The ECL signal was restored when a large number of Fc-labeled DNA fragments were removed. Based on this \"quenching-enhancing\" mechanism of quantum dot ECL signal， we constructed an ultra-sensitive miRNA-141 ECL biosensor with a linear range of 10-8～10-15 mol/L and a detection limit as low as 0.37 fmol/L， offered a promising strategy for early cancer diagnosis.

Key words：CuInZnS QDs， electrochemiluminescence， dual signal amplification， signal burst， microRNA

MicroRNAs （miRNAs）是一類含有19～23個核苷酸的非蛋白質編碼RNA小分子，在調節各種生物過程和基因表達中起著極其重要的作用[1-2].miRNA-141廣泛存在于肺癌、乳腺癌、宮頸癌、結直腸癌、前列腺癌等腫瘤細胞中，且在這些細胞中的濃度較高.因此，準確、靈敏地檢測miRNA-141對于腫瘤的早期診斷和治療具有重要價值[3].到目前為止，已有多種分析方法用于監測miRNA-141，如Northern印跡法、定量逆轉錄聚合酶鏈式反應（qRT-PCR）、比色法、表面增強拉曼法、電化學法[4].電化學發光（electr ochemilumine scene，ECL）作為一種強有力的分析方法，因其靈敏度高、背景低、易于控制、設備簡單、成本低等優點而受到越來越多的關注.

目前，許多功能分子和納米顆粒被用作ECL分析方法的指示劑，如Ru（bpy）32+和量子點[5-6].量子點具有發射光譜大小可調、表面修飾可行性、化學穩定性好等優點，在生物分子的檢測和分析中發揮著重要作用.值得注意的是，量子點在用于DNA分析的ECL標簽中表現出優異的性能.半導體納米晶體或量子點（QDs）是一種新型的ECL納米晶體，近年來得到了廣泛的關注.到目前為止，許多ECL傳感器都是基于量子點和其他納米材料開發的[7].與傳統的分子發光如Ru（bpy）32+相比，量子點發光具有其獨特的優勢，如更可控的表面缺陷，發光的尺寸效應和良好的耐光性，發光體系更溫和.盡管許多量子點已被應用于ECL發光團，如CdTe量子點[8]，CdTe@ZnS量子點[9]和CdSe量子點，然而，重金屬元素的毒性極大地限制了量子點在ECL方面的應用.一種新型的四元量子點如CuInZnS量子點引起了人們的廣泛關注，它不含任何有毒的類（Cd、Pb和Hg）或B類（Se和as）元素，并且由毒性較小的元素組成，CuInZnS量子點是ECL傳感應用的理想發光團，與傳統硫系量子點相比，CuInZnS量子點具有良好的生物相容性，因此其毒性低于傳統量子點[10].近年來，四元CuInZnS量子點具有良好的熱穩定性，已廣泛應用于傳感器結構.[JP2]CuInZnS量子點的合成方法主要有兩種，一種是水熱合成法，另一種是金屬有機合成法[11].CuInZnS量子點的金屬有機相合成是在有機溶劑中進行的，并伴隨著較高的合成溫度.合成過程通常有很高的生產成本.因此，為了有更好的生物學應用前景，通常采用水熱法合成毒性低、生物相容性好的CuInZnS量子點.[JP]

在實際檢測miRNA時，由于miRNA含量低，需要結合放大策略，為了實現對靶標的高靈敏度檢測，一系列非常強大的核酸擴增技術引起了越來越多的關注，例如聚合酶鏈反應（PCR），鏈位移放大，雜交鏈式反應，和滾圓放大 （RCA）.作為一種新興的信號放大技術，DNA酶（DNAzymes） 由于其可設計性、多功能性和高催化效率，為制造高靈敏度傳感器提供了巨大的前景.可以引入具有高回收擴增效率的DNA酶來誘導靶標轉化和擴增.因此本工作采用CuInZnS量子點，結合單酶輔助雙循環擴增和Zn2+依賴DNA剪切酶輔助循環雙擴增策略，制備了一種生物相容性、無毒的ECL生物傳感器，用于超靈敏miRNA-141分析.在圖1中，發光材料采用CuInZnS量子點，將其涂覆在裸露的GCE上，以提供良好的初始ECL信號.然后，將二茂鐵（Fc）標記的發卡DNA3 （H3）和硫醇組裝在一起，淬滅CuInZnS量子點的ECL信號，從而獲得“信號關閉”狀態.隨后，通過單酶輔助雙循環擴增產生的輸出DNA打開H3的發夾結構.在輔助因子Zn2+的協助下，DNA剪切酶裂解Fc-H3，誘導Fc標記的DNA片段從電極表面解放出來.當大量Fc標記的DNA片段被移除時， ECL的信號部分恢復 （“信號開啟”狀態）.

1 實驗

1.1 儀器與試劑

試劑：實驗中所用化學品和溶劑均通過商業途徑購買，使用前未進一步純化.

儀器：CHI660C辰華電化學工作站（上海辰華儀器公司）；ME204E分析天平（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）；WH-10恒溫水浴槽（杭州佑寧儀器有限公司）；SK8200H超聲波清洗器（上海科導超聲儀器有限公司）；GZX-9240 MBE數顯鼓風干燥箱（上海博訊實業有限公司醫療設備廠）；F-7000熒光儀（日本日立公司）；MPI-A電化學發光檢測儀（西安瑞邁分析儀器有限公司）；A560紫外分光光度計（上海奧義儀器有限公司）；THZ-82恒溫振蕩器（常州智博瑞儀器制造有限公司）；FEI TF20透射電子顯微鏡Thermo.

1.2 DNA引物序列

實驗中使用的DNA和RNA如表1.

1.3 實驗步驟

1.3.1 CuInZnS QDs的合成

對參考文獻[12]中的方法進行修改，用水熱法合成了CuInZnS量子點.分別在錐形瓶中加入CuCl2·2H2O （0.1 mol/L， 0.75 mL）、InCl3·4H2O （0.05 mol/L， 5 mL）、ZnCl2 （0.1 mol/L， 125 mL）和1 mL 3-甲基丙烯酸（MPA）溶液得到混合溶液.隨后，加入6 mol/L NaOH溶液，攪拌10 min，調整混合溶液pH值至11.3，加入CS（NH2）2 （0.102 7 g）溶解于混合溶液中.在此過程中，隨著不斷攪拌，溶液逐漸變淡.隨后，將上述混合溶液轉移到內襯聚四氟乙烯的不銹鋼高壓反應釜中，在180 ℃的溫度下將高壓反應釜放入烘箱中5 h.最終，得到的CuInZnS量子點用乙醇離心3次，然后再分散在去離子水中并在4 ℃保存.

1.3.2 磁珠（MB）-H1-HT共軛物的制備

為了制備磁珠（MB）-H1 - HT共軛物，將MB原液洗滌3次，然后再分散到PBS（01 mol/L，pH：74，下同）中.然后將50 μL洗凈的MB溶液分散到450 μL PBS中.然后，將20 μL EDC （10 mmol/L）和NHS （10 mmol/L）加入上述溶液中，室溫震蕩20 min，激活MB上的羧基，再加入50 μL 5 μmol/L H1， 4 ℃反應3 h，再加入10 μL HT， 4 ℃孵育3 h，得到MB-H1-HT共軛物.

1.3.3 單酶輔助雙循環擴增工藝

如圖1B所示，在含磁珠（MB）-H1-HT （10 μL）的溶液中加入目標miRNA-141 （10 μL，1 fmol/L至10 nmol/L）.將MB表面的H1與靶miRNA-141在37 ℃下雜交30 min后，形成H1/miRNA-141的異源雙鏈DNA結構.然后加入H2 （2 μ mol/L， 10 μL）， 37 ℃孵育2 h，可將靶標從H1/miRNA-141異源雙鏈DNA中替換下來.[JP3]因此，目標被重復利用，形成H1/H2雙鏈.[JP]然后，在混合物中加入10 μL T7 Exo （10 U），[JP3]對H1/H2雙鏈進行特殊裂解，在25 ℃下孵育3 h.結果釋放出H1-MB-[JP]HT和輸出DNA.[JP2]具體來說，釋放的H1可以與H2雜交，從而產生大量的輸出DNA作為模擬靶.然后將混合物逐漸冷卻至25 ℃，通過磁選收集產品[13].

1.3.4 ECL生物傳感器的制備

在圖1 A中，用0.05 m α-Al2O3粉末在粗糙的紙上打磨成光滑的界面.將清洗干凈的電極分別浸泡在聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液（PDDA）溶液和聚4-苯乙烯磺酸溶液（PSS）溶液中20 min.在電極表面滴入10 μL CuInZnS （CIZS）量子點分散液（5 mg/mL），得到均勻的薄膜.然后，10 μL Fc-H3 （2 μmol/L）在CIZS QDs/PDDA/PSS/GCE表面上孵育，4 ℃ 12 h.PBS沖洗后，Fc-H3/CIZS QDs/PDDA/PSS/GCE用10 μL， 1 mmol/L的己硫醇（HT）溶液在室溫下孵育60 min，以阻斷非特異性結合位點.最后，將10 μL輸出DNA和Zn2+溶液（10 mmol/L）的混合物滴到裝飾好的電極表面，在37 ℃下孵育90 min.

1.3.5 ECL檢測過程

ECL生物傳感器制備成功后，在含0.1 mol/L K2S2O8的3.0 mL PBS溶液（pH 7.4， 0.1 mol/L）中進行ECL測量，掃描范圍為-2.5～0 V（掃描速率01 V/s），光電倍增管（PMT）電壓設置為600 V.

2 結果與討論

2.1 CuInZnS量子點的表征

本工作通過透射電子顯微鏡、熒光發射光譜、紫外-可見吸收光譜和紅外光譜研究了CuInZnS量子點的光學性質.如圖2，CuZnInS量子點的尺寸分布均勻，量子點的粒徑約為6 nm.圖3表明，在289.8 nm和405.4 nm處，量子點的紫外可見吸收有兩個吸收峰.然后通過FT-IR光譜分析，研究了CuInZnS量子點表面官能團的存在，如圖4.通過羧酸基團的特征峰（1 629.57 cm-1的不對稱拉伸振動，1 452.65 cm-1的對稱拉伸振動）可以明顯發現MPA的官能團.而在2 550～2 680 cm-1處，MPA沒有出現硫醇的特征峰，這是由CuInZnS量子點中硫醇與金屬原子之間的共價鍵引起的.CuInZnS量子點在3 425.27 cm-1處存在明顯的吸收峰，與羥基相對應.由于量子點溶液是堿性的，因此含有大量的游離羥基.此外，在1 004.46 cm-1和1 143.05 cm-1處的特征峰也對應于羥基.

圖5為CIZS量子點的XRD譜圖，由3個主峰（1，1，1）、（2，2，0）和（3，1，1）組成.寬衍射峰是由于CuInZnS量子點的尺寸較小.其中對應的3個晶體峰（JCPDS：47-1370-CuInZnS）與先前報道的一致[14].為了研究制備的CIZS量子點的組成，進行了典型的XPS分析，Zn、Cu、In、S元素分別在圖6中測得，C、O元素由穩定劑3-（三頸基）丙酸（MPA）引起的.

2.2 生物傳感器的相關表征

在含有1.0 mmol/L[Fe（CN）6]3-/4-和0.1 mol/L KCl溶液的電解液中，采用循環伏安法（CV）進行電化學分析，將相應的GCE作為工作電極，Ag/AgCl（飽和KCl）作為參比電極，并浸入鉑絲作為輔助電極，驗證了生物傳感器的構建過程.從圖7可以看出，裸GCE呈對稱的氧化還原峰，峰值電流大（曲線a）.PDDA、PSS、QDs分別修飾GCE后，由于這3種介質導電性依次降低，峰值電流依次減小（曲線b、c）.

而Fc-H3孵卵在電極表面時，由于Fc電氧化為Fc+，氧化還原電流增大，且加速.最終可以看出，輸出DNA與Fc-H3雜交后形成DNA雙鏈，加入Zn2+后峰值電流減小（曲線e），這是由于在Zn2+的存在下Fc雜交DNA雙鏈被釋放所致.

通過電化學阻抗譜（EIS）驗證了該生物傳感器的階梯式結構.如圖8，曲線a為裸GCE的電子轉移電阻（Ret）.與裸GCE相比（曲線a），由于GCE上的PDDA和PSS在GCE上先后被修飾，EIS顯示Ret值增加（曲線b），這是由于PDDA和PSS的導電性較低.隨后涂覆CIZS量子點后，可以觀察到Ret的增加（曲線c），這是因為CIZS量子點的導電性相對較弱.引入Fc- H3后，由于Fc具有優異的電子導電性，得到了一個減弱的Ret（曲線d）.最后，加入Zn2+和Fc雜化DNA雙鏈后，Ret顯著增加，因為Zn2+在識別特異性位點對Fc雜化DNA雙鏈進行了切割，從而去除Fc（曲線e），結果符合預期，說明生物傳感器的制備令人滿意.

2.3 ECL反應機理

為了進一步驗證傳感器制備成功，采用0.1 mol/L PBS（pH=7.4）含0.10 mol/L K2S2O8的緩沖溶液，通過采集和檢測修飾過程中的ECL信號來表征傳感器的制備過程.在過硫酸鉀存在的情況下，CZIS量子點在陰極的電化學發光反應機理如下：

如圖9，裸電極（曲線a）顯示一個較低的ECL信號，當在電極上逐次滴加PDDA、PSS、CIZS QDs后，ECL信號增強（曲線b）；當添加了帶有二茂鐵（Fc）的H3之后（曲線c），信號降低，這可能是因為二茂鐵（Fc）作為高效猝滅劑，能量轉移發生在Fc和CIZS NCs*之間（式（5））.或者，Fc被強氧化劑SO4-·氧化形成二茂鐵（Fc+）（式（6））.Fc+的氧化物可以進一步與e-反應（式（7）），然后與CIZS NCs*反應，通過電子轉移機制直接猝滅CIZS NCs的ECL發射（式（8））[15].當加入Zn2+剪切掉雜交的雙鏈后，信號恢復.結果證明所構建的生物傳感器成功制備.[JP]

2.4 ECL傳感器對miRNA-141的檢測

為了研究在最佳實驗條件下的性能，使用生物傳感器對miRNA-141進行定量檢測.

圖10（a）為不同濃度miRNA-141在1 fmol/L至10 nmol/L范圍內的ECL強度.可以清楚地觀察到，隨著濃度的增加，ECL強度逐漸增加.ECL信號強度與CmiRNA-141對數呈良好的線性相關.線性方程為y=4 653.88 + 195.93lg C，基于3σ/S的檢出限為037 fmol/L.表明該生物傳感器對于miRNA-141的檢測具有良好的準確性（圖10（b））.

2.5 ECL生物傳感器的選擇性和穩定性分析

穩定性、選擇性是驗證生物傳感器可行性的重要指標.首先，如圖11，為了確認生物傳感器的穩定性，首先采用連續ECL對信號強度進行評估，在0.1 mol/L含0.1 mol/L K2S2O8的PBS中測量，掃描范圍為-2.5～0 V（掃描速率為0.1 V/s）.經過10次循環后，與記錄的ECL強度計算的相對標準偏差為1.5 %，表明該生物傳感器能夠滿足長期測試過程的需要.

通過對miRNA-126 （100 pmol/L）、miRNA-155 （100 pmol/L）、miRNA-21 （100 pmol/L）和混合物等干擾劑的篩選，該傳感器也表現出了良好的選擇性.從圖12結果來看，與目標miRNA-141和混合物相比，干擾物（miRNA-126、miRNA-155和miRNA-21）的ECL響應波動很小.此外，對于包含上述3種干擾劑miRNA （100 pmol/L）和miRNA-141 （100 pmol/L）的混合樣品，檢測到的ECL信號似乎是由miRNA-141單獨引起的.因此，上述對比實驗成功證明了該生物傳感器對miRNA-141具有較高的特異性.

3 結論

文中通過合成CuInZnS量子點作為發光底物，添加T7 核酸外切酶輔助雙循環擴增和Zn2+輔助循環擴增的雙擴增策略構建了一種用于超靈敏檢測miRNA-141電化學發光生物傳感器.首次探討了CIZS NCs和二茂鐵之間的猝滅機理，并且結合了雙擴增策略對CuInZnS量子點的應用進行了進一步的完善.在最優的條件下，所開發的傳感器在miRNA-141的檢測中取得了良好的分析性能，具有低檢測限、寬線性范圍、良好的靈敏度和穩定性.為癌癥標志物檢測提供了新的方法途徑.

參考文獻（References）

［1］ ZHU L， LV X， YU H H， et al. Paper-based bipolar electrode electrochemiluminescence platform combined with pencil-drawing trace for the detection of M.Sssl methyltransferase [J]. Analytical Chemistry， 2022， 94（23）： 8327-8334.

[2] LIU L L， LIU Y S， ZHANG Y， et al. K-doped graphitic carbon nitride with obvious less electrode passivation for highly stable electrochemiluminescence and its sensitive sensing analysis of microRNA [J]. Analytical Chemistry， 2022， 94（20）： 7191-7199.

[3] JI K L， WANG Y F， MAO L B， et al. Ultrasensitive SQDs-based electrochemiluminescence assay for determination of miRNA-141 with dual-amplification of co-reaction accelerators and DNA walker [J]. Sensors and Actuators B： Chemical， 2021， 345： 130405.

[4] WANG Q， LIU Y Q， WANG X F， et al. Ternary electrochemiluminescence biosensor based on dna walkers and Aupd nanomaterials as a coreaction accelerator for the detection of miRNA-141 [J]. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2021， 13（22）： 25783-25791.

[5] ADSETTS J R， CHU K， HESARI M， et al. Absolute electrochemiluminescence efficiency quantification strategy exemplified with Ru（bpy）32+ in the annihilation pathway [J]. Analytical Chemistry， 2021， 93（33）： 11626-11633.

[6] HUANG H P， ZHU J J. DNA aptamer-based QDs electrochemiluminescence biosensor for the detection of thrombin [J]. Biosensors and Bioelectronics， 2009， 25（4）： 927-930.

[7] ZHAO Y R， "YU J， BERGAMINI J F， et al. Photoelectrochemistry at semiconductor/liquid interfaces triggered by electrochemiluminescence [J]. Cell Reports Physical Science， 2021， 2（12）： 100670.

[8] CHEN P P， LIU Z， LIU J H， et al. A novel electrochemiluminescence aptasensor based CdTe QDs@NH2-MIL-88（Fe） for signal amplification [J]. Electrochimica Acta， 2020， 354： 136644.

[9] ZHAO W R， XU Y H， KANG T F， et al. Sandwich magnetically imprinted immunosensor for electrochemiluminescence ultrasensing diethylstilbestrol based on enhanced luminescence of Ru@SiO2 by CdTe@ZnS quantum dots [J]. Biosensors and Bioelectronics， 2020， 155： 112102.

[10] LIU Y， CHEN X Q， MA Q. A novel amplified electrochemiluminescence biosensor based on Au NPs@PDA@CuInZnS QDs nanocomposites for ultrasensitive detection of p53 gene [J]. Biosensors and Bioelectronics， 2018， 117： 240-245.

[11] CHEN X Q， CHEN S F， XIA T T， et al. Aqueous synthesis of high quality multicolor Cu-Zn-In-S quantum dots [J]. Journal of Luminescence， 2017， 188： 162-167.

[12] LIU Y， JIANG K L， NIE Y X， et al. A visual electrochemiluminescence biosensor based on CuInZnS quantum dots for superoxide dismutase detection [J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry， 2020， 412（8）： 1893-1899.

[13] WANG T Y， WANG D C， PADELFORD J W， et al. Nearinfrared electrogenerated chemiluminescence from aqueous soluble lipoic acid Au nanoclusters [J]. Journal of the American Chemical Society， 2016， 138（20）： 6380-6383.

[14] CHEN X Q， GUI W Y， MA Q. Ultrasensitive detection of EGFR gene based on surface plasmon resonance enhanced electrochemiluminescence of CuZnInS quantum dots [J]. Analytica Chimica Acta， 2018， 1009： 73-80.

[15] ZHAO J， CHEN C X， ZHU J W， et al. Ultrasensitive and visual electrochemiluminescence ratiometry based on a constant resistor-integrated bipolar electrode for microRNA detection [J]. Analytical Chemistry， 2022， 94（10）： 4303-4310.[ZK）]

（責任編輯：顧琳）