背景介绍：

DNA羟甲基化（5-羟甲基胞嘧啶，5hmC）来源于DNA甲基化，是一种重要的表观遗传修饰。5hmC被认为是DNA中的“第六种碱基”，其关键作用不言而喻，但人们对其功能仍存在困惑。在深入研究5hmC调控机理的过程中，常常需要对其进行含量测定。由于基因组DNA中5hmC的含量较低，且容易受到相似结构的干扰，开发准确的检测方法十分有必要。然而当前的定量方法多数仍面临成本高和操作复杂等问题，需要准确而又简便的方法。

光电化学（PEC）技术具有设备简单、成本低、灵敏度高等优点，在生物分析领域备受关注。构建PEC传感器需要选择合适的光活性材料，提高传感器性能。全无机钙钛矿Bi₄NbO₈Cl光电性能稳定且具有一定的可见光吸收能力，Bi₄NbO₈Cl自身含有的Bi元素使其与硫化铋（Bi₂S₃）原位形成异质结成为可能。Bi₄NbO₈Cl能带与Bi₂S₃相匹配，二者形成异质结将提高载流子分离速率，增强基底材料的光活性，有利于构建灵敏的PEC传感器。

近期，山东农业大学周云雷博士课题组报道了一种基于原位生成的钙钛矿@硫化铋（Bi₄NbO₈Cl@Bi₂S₃）异质结增强基底材料光活性的光电化学传感器用于检测5hmC。相关成果以“Photoelectrochemical biosensor for DNA hydroxymethylation detection based on the enhanced photoactivity of in-situ synthesized Bi₄NbO₈Cl@Bi₂S₃ heterojunction”为题发表在国际化学权威杂志Biosensors and Bioelectronics上（DOI: 10.1016/j.bios.2021.113580）。2019级硕士研究生丁佳为该论文第一作者。

论文截图

研究的主要内容介绍：

将钙钛矿Bi₄NbO₈Cl与升华S混合煅烧，原位合成了Bi₄NbO₈Cl@Bi₂S₃光活性复合材料，光活性测试显示复合材料比单一材料具有更强的光电响应。通过对材料能带结构测试分析，证明钙钛矿Bi₄NbO₈Cl与Bi₂S₃之间形成了能带匹配结构，促进了光生载流子的分离，进而增强其光电活性。将制备的Bi₄NbO₈Cl@Bi₂S₃光活性材料分散于壳聚糖溶液中，然后将该分散液滴于ITO电极表面，干燥后得到纳米材料修饰的电极。再利用壳聚糖上氨基与巯基丙酸上羧基的共价反应，将巯基丙酸修饰于电极表面。基于DNA甲基酶催化的巯基与5hmC上羟甲基的共价反应，5hmC（核苷酸形式）被捕获至电极表面。最后，利用磷酸根可以与Zr4+形成Zr-O-P键，从而将氧化锆修饰在电极上。ZrO₂为信号放大单元可以增强基底材料的光生电子转移速率，降低了Bi₄NbO₈Cl@Bi₂S₃异质结材料的载流子复合率，极大地增强了光电信号，从而提高了传感器的灵敏度。本文基于5hmC的羟甲基可以在M.HhaI甲基转移酶的催化下与巯基共价反应，实现目标分析物的固定。氧化锆作为信号放大单元，与目标分析物相连接，因此该传感器光电流的变化与5hmC水平密切相关。实验结果显示，该PEC传感器对羟甲基的检测具有良好的特异性和稳定性。将该PEC传感器应用于小麦幼苗基因组DNA中5hmC水平测定，证明了该方法在实际样品的检测中具有很大的潜力。

(A) 原位合成Bi₄NbO₈Cl@Bi₂S₃异质结步骤图; (B) 光电传感器构建和5hmC检测示意图

（来源：Biosensors and Bioelectronics 194 (2021) 113580）

周云雷，山东农业大学太阳集团tyc151(中国)有限公司，博士、副教授、硕士生导师，2016-2017年在新加坡南洋理工大学访问研究。周云雷博士长期从事生物分析化学相关的研究工作，构建多种电化学和光电化学传感器，实现对多种环境污染物、食品污染物和生物标志物的灵敏检测。相关研究工作主要发表在Coordination Chemistry Reviews、Chemical Engineering Journal、Biosensors and Bioelectronics、Analyst等期刊上。主持国家自然科学基金2项，国家博士后基金1项，山东省自然科学基金2项。发表SCI论文90余篇，他引3402次，H因子34。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2021.113580