2023年1月4日，我院在高水平国际学术期刊Biosensors and Bioelectronics上发表题为“A Cathodic Photoelectrochemical Immunoassay with Dual Signal Amplification for the Ultrasensitive Detection of DNA Damage Biomarkers”研究性论文。第一作者为我院青年教师张碧红博士。通讯作者为李敏杰副教授、郭良宏研究员。

第一作者：张碧红

通讯作者：李敏杰、郭良宏

DOI:10.1016/j.bios.2022.115052

导读

化学品的毒性筛查和风险评估对生态安全和人类健康至关重要。尤其是基因毒性物质，因为它与突变性，致癌性和癌症相关。目前化合物的基因毒性评价主要是通过动物试验和细胞测试方法进行的，虽然这些方法已被广泛应用，但其费用高昂、周期长，不适合大批量化合物的毒性筛查。针对这些方法的不足，近年来国内外工作者提出了基于生物标志物的分子检测方法，其中磷酸化组蛋白H2AX (γH2AX)是DNA双链断裂（最严重的DNA损伤形式）的生物标志物，同时也是一种早期敏感的基因毒性效应标志物。迄今为止，已经开发了各种用于γH2AX检测的技术，尤其是免疫技术，如免疫印迹、免疫荧光显微镜、流动分析和酶联免疫分析等。令人遗憾的是，这些方法仍然存在一些缺点。例如，预处理步骤繁琐、耗时，动态范围有限，灵敏度低等。因此，开发快速、超灵敏的分析方法进行准确、可靠的γH2AX检测十分迫切。

本工作开发了一种具有双信号放大的新型阴极光电化学(PEC)免疫分析法，用于快速和超灵敏地检测细胞裂解液中的γH2AX，最终实现基因毒性化合物的快速筛查和毒性评估。利用二抗/金纳米颗粒/葡萄糖氧化酶共轭偶联物作为标记检测抗体，首先在96孔板上进行了针对γH2AX的夹心免疫反应。共轭物的引入提高了葡萄糖氧化酶对葡萄糖的催化性能，进而增加了H₂O₂的产生，提供了信号放大的第一个机制；接着，将含有H₂O₂的免疫反应产物注入电解池中，进行光电化学反应。H₂O₂作为电子受体，可在富含氧空位的Bi_2+xWO₆光电阴极上发生光还原反应， 放大光电流，此外，氧空位既是H₂O₂的吸附位点，又是H₂O₂的活化位点，从而进一步增强了光电流，为信号放大提供了另一种机制。 基于此，建立了γH2AX的超灵敏检测平台，检出限为6.87 pg/mL (S/N=3)，线性范围为0.01-500 ng/mL。通过检测暴露于已知基因毒性化学物质的细胞裂解液中的γH2AX，验证了该测定方法的实用性。本工作为基因毒性化学品的筛查提供了一个快速、可靠的工具，并为环境风险评估开辟了一条新的道路。

图1. 传感器制备步骤及检测原理图

主要内容

本工作首次利用乙二醇一步还原法制备了氧空位掺杂的Bi_2+xWO₆（OVs-Bi_2+xWO₆）阴极光催化剂。通过控制乙二醇含量得到了光催化性能最优的OVs-Bi_2+xWO₆-4复合物。该催化剂不但具有高的光电流响应，且其在没有电子受体的条件下表现出了高的稳定性，这为传感器的制备奠定了良好的基础。

图2. 氧空位掺杂的Bi_2+xWO₆的SEM、TEM、XRD、ESR及XPS表征

图3. 不同浓度乙二醇制备的氧空位掺杂的Bi_2+xWO₆的光电流响应及稳定性

电化学和光电化学测试结果表明，氧空位掺杂后的Bi2+xWO6的光电性能得到了有效的提升，具有更高的光电流，更多的光生空穴，更长的载流子寿命以及更强的H2O2催化活性。

图4. 氧空位掺杂的Bi_2+xWO₆的电化学和光电化学测试结果

将该光催化剂作为光阴极与微孔板中的酶标免疫反应联合构建了分裂型的光阴极传感器。该传感器对基因毒性标志物γH2AX表现出了优异的检测性能。检出限低至6.78 pg/mL, 与市售的ELISA试剂盒相比提升了一个数量级。此外，该传感器还表现出了强的稳定性和抗干扰能力。

图5.光电化学免疫传感器对不同浓度γH2AX的光电流响应（A）及线性方程（B）传感器的稳定性（C）和特异性（D）

此外，我们通过测试几种已知基因毒性化合物验证了该传感器的实用性。众所周知，喜树碱（CPT）和依托泊苷（ETP）是基因毒性物质，而氯化钠（NaCl）是非基因毒性物质。因此，以CPT和ETP为阳性对照，以NaCl为阴性对照，对HepG2细胞进行暴露。结果表明，CPT和ETP处理后，HepG2细胞中γH2AX的浓度显著上升，而NaCl暴露组则没有差异，这与文献报道一致。因此该传感器可用于基因毒性化学物质的筛查和评估。

图6. 经CPT、ETP和NaCl暴露的HepG2细胞裂解液样品中γH2AX的浓度

该工作得到国家自然科学基金(22036005)，浙江省重点研发计划项目（2021C03057）的支持。

全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0956566322010922

作者简介

第一作者：

张碧红，博士，讲师，硕士生导师，中国计量大学质量与安全工程学院环境工程专业、中国计量大学环境与健康科学研究院教师。2021年获得武汉大学分析化学专业理学博士学位。主要从事毒性效应生物传感器的研制与应用，新污染物光催化降解等方面的基础研究工作。在JMCA、ACS AMI、ACS sensors、Biosensors and Bioelectronics、Sensors B、Electrochimica Acta等期刊发表论文20余篇。联系邮箱：bhzhang@cjlu.edu.cn。

通讯作者：

李敏杰，博士，副教授，硕士生导师，中国计量大学质量与安全工程学院环境工程专业、中国计量大学环境与健康科学研究院教师。2009年获得日本东北大学理学博士学位。先后在中国科学院生态环境研究中心（2011-2013）、北京大学（2013-2015）完成两站博士后研究工作。曾任齐齐哈尔大学讲师、副教授，中国科学院过程工程研究所副研究员等职。2018年11月调入中国计量大学任副教授至今。主要从事环境内分泌干扰物的生物传感识别，环境污染物的内分泌干扰效应与毒理学机制，药品和个人护理品污染物的识别与控制，水解析氢纳米催化材料的制备与应用等方面的基础研究工作。在JACS、EST、ACS sensors、Green Chemistry、Science of the Total Environment等期刊发表论文30余篇。作为课题负责人主持了科技部重点研发计划子课题、国家自然科学基金委面上及青年基金项目，作为主要参与人承担浙江省重点研发计划项目、国家自然科学基金委面上及青年基金项目等，承担科研项目10余项。联系邮箱：mjli@cjlu.edu.cn。

郭良宏，博士，二级研究员，博士生导师，中国计量大学环境与健康科学研究院院长，中国计量大学质量与安全工程学院环境工程专业教师。国家基金委杰出青年基金获得者，国家科技部重大科学研究计划首席科学家，英国皇家化学会Fellow。曾任环境化学与生态毒理学国家重点实验室副主任，中国科学院生态环境研究中心研究员，《环境化学》主编，英国皇家化学会期刊Environmental Science: Processes and Impacts副主编，中国毒理学会分析毒理专业委员会常务委员，中国化学会环境化学专业委员会委员，中国环境科学学会环境医学与健康分会委员，中国仪器仪表学会分析仪器分会电化学分析专业委员会委员。研究方向为环境毒理学与环境健康，主要包括持久性有机污染物、大气颗粒物、环境纳米材料等典型和新污染物的毒性作用机制及其快速筛查方法。联系邮箱：LHGuo@cjlu.edu.cn。