2023, Vol. 44
Bi是后过渡金属元素，在元素周期表中属于第六周期和第V主族。因其无毒的特性，被称为“绿色金属”[1]。
硫化铋（Bi2S3）是一种重要的含Bi元素半导体材料，具有高稳定性、无毒、高性价比、良好的光电性能以及环境友好性等优点，具有1.3 eV的窄带隙。Bi2S3属于Pnma空间点群，具有正交结构，其晶胞参数：a=1.114 9 nm，b=1.130 4 nm，c=0.398 1 nm。Bi2S3晶体结构如图1所示[2]，为层状结构，每一层结构为一条长链，Bi和S通过共价键互相结合，Bi和S的层中距离为0.25 nm。Bi与S的层间距离为0.32 nm，层状结构沿“001”晶面方向无限延伸，相邻层状结构受范德华力作用[3-4]。Bi2S3材料有多种形貌，如：纳米棒、纳米微球、纳米花和纳米颗粒等。不同形貌的共存增大了Bi2S3的比表面积，便于修饰抗体和其他材料，有助于改善电流响应，提高检测灵敏度。利用Bi2S3材料及其复合材料开发的生物分析方法具有灵敏度高、检测限低和检测范围宽等优势。因此，其在生物分析领域得到了越来越广泛的关注[5-6]。
本文综述了Bi2S3的特点，不同形貌Bi2S3的制备方法及其在不同类型的生物分析方法中的应用。
1 Bi2S3的特性 1.1 物理特性Bi2S3在元素周期表中属于V-VI主族化合物，近年来备受关注。表1给出了其他硫化物的带隙作为对比。Bi2S3作为一种窄带隙（1.3～1.7 eV）硫化物半导体材料，具有104～105 cm−1的高吸收系数[7-8]。因此，在生物分析领域，Bi2S3成为拓宽光谱吸收范围、提高光电转换效率的理想增敏材料。
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表 1 不同硫化物的带隙 Tab. 1 Bandgaps of different sulfides |
Bi2S3生物毒性很小，且无污染，因此人们普遍认为它是一种生物安全、环境友好的材料。S元素在Bi2S3中的存在为Au（Pt、Pd）等其他贵金属的结合提供了位点。蛋白质分子可通过金―氨键与贵金属材料相结合，使材料具有良好的生物相容性，可广泛应用于生物分析领域[9]。
2 不同形貌Bi2S3的合成方法合成方法会影响Bi2S3的形貌、尺寸、比表面积和光电化学性能。在目前的方法中，Bi的来源主要是Bi（NO3）3·5H2O和BiCl3。S的来源主要是Na2S·9H2O、C2H6SNCOOH、CS（NH2）2、C12H16N4OS-HCl和CH3CSNH2。常用的合成方法有回流法、声化学法、微波合成法、高温固相法、离子液体技术和水热/溶剂热法等。水热/溶剂热法作为合成纳米材料最常用的方法之一，是一种在高温、高压条件下对单晶进行分离的技术，在纳米材料的合成中发挥着重要的作用。使用这种方法可以合成不同形貌的Bi2S3材料。
2.1 Bi2S3纳米棒的合成Wang等[10]采用水热法，在尿素存在的条件下，合成了长度和宽度分别为100～200、50～100 nm的Bi2S3纳米棒结构。水热法合成流程如图2所示，首先将1.82 g Bi（NO3）3·5H2O 、1.35 g Na2S·9H2O和1.92 g CO（NH2）2 分别加入25 mL乙二醇、30 mL水和20 mL水中搅拌均匀，依次获得溶液A、B、C。然后将上述3份溶液按顺序混合，再转移到高压反应釜中，密封，在180 ℃条件下保持24 h。最后将溶液过滤，所得的固体洗涤，风干。
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图 2 水热法合成Bi2S3纳米棒流程 Fig. 2 Hydrothermal synthesis process of Bi2S3 nanorods |
Zhao等[3]用一锅水热法合成了Bi2S3纳米微球。将硫脲溶于去离子水中配成D溶液，将Bi（NO3）3·5H2O和尿素（1.0 mol/L）溶于去离子水中配成E溶液。首先将D与E两种溶液混合后搅拌30 min，再将混合溶液转移到高压反应釜中并置于120 ℃的烘箱中烘12 h，然后用无水乙醇和蒸馏水洗涤，最后在60℃下干燥过夜，制备流程如图3所示。
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图 3 Bi2S3纳米微球制备流程 Fig. 3 Preparation process of Bi2S3 nanospheres |
Wang等[11]利用一步反应合成了Bi2S3纳米花复合物。首先在超纯水中溶解硫脲，然后加入Bi（NO3）3·5H2O。为了在Bi2S3表面负载Fe2O3，在混合溶液中加入Fe（NO3）3·9H2O，在60 ℃下剧烈搅拌15 min。最后将溶液移至高压反应釜中，180 ℃加热20 h，离心后用无水乙醇和超纯水多次洗涤制得产物。最后，产物在真空烘箱中60 °C干燥8 h。
2.4 Bi2S3纳米颗粒的合成Bi（NO3）3·5H2O （0.020 mmol）和Na2S·9H2O（0.035 mmol）分别溶于5 mL甲醇中。随后，将Bi（NO3）3溶液加入到Na2S溶液中。混合溶液搅拌2 h，离心后得到Bi2S3纳米颗粒[12]。
3 Bi2S3复合材料在生物分析中的应用Bi2S3作为半导体在生物分析法中表现出良好的性能，在可见光的照射下可产生光电流。但其禁带宽度较窄，使光生电子和空穴容易复合，会影响材料的光电活性，且纯Bi2S3材料导电性较差。利用其他材料与Bi2S3复合，不仅能够提高光生电子的分离效率，也可以增强其导电性，使其在光电化学和电化学分析方法中有更优良的性能。本文总结了Bi2S3与贵金属、金属氧化物、金属盐和其他材料的复合方法，以及这些材料在生物分析中的应用。
3.1 Bi2S3与贵金属复合贵金属主要是指Au、Ag、Ru、Rh、Pd、Os、Ir和Pt 8种金属元素。Au纳米颗粒（Au nanoparticles，Au NPs）和Ag纳米颗粒（Ag nanoparticles，Ag NPs）作为两种常见的贵金属纳米颗粒。由于其优异的导电性可以促进电子转移，改善电化学反应，另一方面，它很容易通过贵金属–硫键与抗体结合，实现传感器平台的搭建。因此，在生物分析方法中有着广泛的应用。
Cui等[13]开发了一种基于仿生过氧化物酶和Bi2S3纳米棒的光电化学分析法，使用Bi2S3纳米棒和Au NPs作为捕获探针固定在电极上。在电极表面，磷酸化的dsDNA在多核苷酸激酶（polynucleotide kinase, PNK）的存在下被lambda外切酶裂解，导致MnME@AuNPs缀合物从电极上解离，从而减少电极上的沉淀，促进了界面电子转移和产生光电流的能力。PNK检测信号“开启”光电化学生物传感器的示意图如图4所示。
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图 4 PNK检测信号“开启”光电化学生物传感器的示意图 Fig. 4 Schematic diagram of the PNK detection signal "on" photoelectric chemobiosensor |
Gao等[14]通过在预合成Au纳米棒表面原位生长Bi2S3来制备核–壳结构的Au@Bi2S3纳米棒，将Au@Bi2S3纳米棒包覆在玻碳电极上，基于探针DNA 5'-端修饰的-NH2与Au@Bi2S3的配位作用，作为制备电化学DNA生物传感器的支架。Au@Bi2S3纳米棒作为优良的电子传输通道，通过其纳米尺寸效应促进电子转移并增加有效表面积。实验表明，基于Au@Bi2S3基质的DNA生物传感器能够在10 fmol/L～1 nmol/L的范围内识别互补DNA。该生物传感器还具有优良的选择性，可以将完全互补序列与碱基错配和非互补序列区分开来，在实际应用中显示出巨大的前景。
Wang等[10]利用Bi2S3纳米棒和Au NPs作为修饰剂开发了新型生物分析方法，用于禽类白血病的检测。Bi2S3通过Au―S键与Au NPs紧密结合，在Au NPs存在时，可以附着更多miRNA。L-抗坏血酸2-磷酸三钠盐（l-ascorbic acid 2-phosphate trisodium salt，AAP）可以原位催化碱性磷酸酶产生更多的抗坏血酸（ascorbic acid，AA），用作电子供体。结果表明，光电流响应随着miRNA杂交浓度的增加而增强。在Au NPs标记的链霉抗生物素蛋白的扩增条件下，检测限低至1.67 fmol/L。
Zhang等[15]报道了一种利用Au NPs结合Bi2S3作为免疫偶联物的信号扩增策略，不仅能与二抗结合，还能诱导Ag沉积。在碳纳米角促进电子转移的作用下，大肠杆菌E.coli O157:H7抗原的检测限较其它电化学免疫传感器更低，具有很大的实际应用潜力。
3.2 Bi2S3与金属氧化物复合Wang等[11]制作了一种基于Fe2O3@Bi2S3异质结的免疫传感器用于酶促过程和NaF对酶活性抑制的测定，其示意图如图5所示。该系统中的碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）与Au NPs配合后，可原位水解AAP生成AA，实现酶促过程，大量AA作为电子供体使得光电流增强。当NaF存在时，由于其对ALP的抑制作用，使得光电流响应降低。该传感器对NaF的检测限低至0.003 μmol/L，检测范围为0.01～1 000 μmol/L。
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图 5 Fe2O3@Bi2S3异质结免疫传感器的示意图 Fig. 5 Schematic diagram of the Fe2O3@Bi2S3 heterojunction immunosensor |
Yang等[12]通过Bi2S3纳米颗粒构建了一种新型的免疫分析法，用于半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3（caspase-3）的检测。如图6所示，采用n型半导体Bi2S3改性铟锡氧化物（indium tin oxide，ITO）片作为光电极，将生物素修饰肽固定在Bi2S3表面，通过生物素与链霉亲和素之间的特异性相互作用，将链霉亲和素标记的Co3O4-Au多面体引入电极表面。Co3O4-Au多面体不仅可以猝灭Bi2S3的光电流，还可以作为过氧化物酶模拟物催化4-氯-1-萘酚（4-chloro-1-naphthol，4-CN）产生沉淀物。沉淀物不仅可以沉积在ITO电极上降低光电化学（photoelectrochemistry，PEC）传感器的光电流，还可以作为电子受体清除Co3O4-Au多面体的光生电子，从而增强了Co3O4-Au多面体的猝灭能力。当caspase-3存在时，caspase-3可特异性识别并裂解生物素修饰肽，导致光电流增强，从而实现对caspase-3的检测。多功能Co3O4-Au多面体对caspase-3的检测灵敏度很高，线性范围为0.5～50.0 ng/mL，检测限低至0.10 ng/mL。Co3O4-Au多面体为构建PEC传感平台提供了一种新的方法，在生物分析和疾病诊断等方面具有潜在应用。
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图 6 多功能p型半导体Co3O4-Au多面体PEC传感器的示意图 Fig. 6 Schematic diagram of the multifunctional P-type semiconductor Co3O4-Au polyhedral PEC sensor |
Zhang等[16]提出了一种以氧化锌纳米花（Zinc oxide nanoflowers，ZNF）-Bi2S3复合材料为光活性材料，还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）为信号标签的免疫传感器，采用水热法在ZNF表面生长Bi2S3纳米颗粒，辣根过氧化物酶参与鲁米诺化学发光体系作为内光源激发光活性材料。该免疫传感器对鳞状上皮细胞癌抗原（squamous cell carcinoma antigen，SCCA）的光电化学检测表现出优异的分析性能，检测范围为0.8 pg/mL～80.0 ng/mL，检测限为0.21 pg/mL。
Fan等[17]制备了一种基于SnO2/氮掺杂碳量子点（nitrogen-doped carbon quantum dots，NCQDs）/Bi2S3复合材料的新型无标签光电化学免疫传感器，用于检测N-末端B型利钠肽原（NT-proBNP）。如图7所示，Bi2S3原位生长在SnO2材料表面。在AA存在的条件下，该复合材料在可见光下表现出良好的光电活性，检测限为3.70 pg/mL，检测范围是0.01～50.00 ng/mL。
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图 7 用于NT-proBNP检测的PEC传感器的示意图 Fig. 7 Schematic diagram of the PEC sensor used for NT-proBNP detection |
Feng等[18]以Bi2S3/BiOI/ZnO纳米阵列为平台，Ag2S修饰的适配体探针DNA（pDNA@Ag2S）作为竞争物，构成信号放大竞争型PEC微流控传感器，示意图如图8所示。BiOI通过简单的电沉积方法在ZnO表面生长，提高了比表面积和稳定性，Bi2S3可以在BiOI的Bi3+部分原位生长形成异质结，而不会破坏纳米阵列的结构。在最佳检测条件下，所制备的PEC微流控传感器对赭曲霉毒素A（ochratoxin A，OTA）检测范围为0.01 pg/mL～200 ng/mL，检测限为0.0035 pg/mL 。
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图 8 竞争型PEC微流控传感器的示意图 Fig. 8 Schematic diagram of the competitive PEC microfluidic sensor |
Li等[19]基于KNbO3-Au NPs@Bi2S3构建了电化学发光（electrochemical luminescence，ECL）分析法用于检测前列腺特异性抗原（prostate-specific antigen，PSA），其中Bi2S3呈纳米片状结构。利用KNbO3-Au NPs制备传感平台，Bi2S3纳米片在ECL传感器中作为发光体。KNbO3-Au NPs@Bi2S3的ECL信号在0.05～5.00 ng/mL内随PSA的增加呈线性下降，检测限为3 pg/mL。所制备的无标签ECL传感器具有较高的灵敏度和选择性、良好的重复性和长期稳定性。
Wang等[20]制作了超灵敏分裂型PEC免疫分析传感器。他们使用Bi2S3/Bi2WO6异质结作为光电极，并构建了以二茂铁羧酸为氧化还原介质，AA和三（2-羧乙基）膦为还原剂的光电化学氧化还原循环系统，如图9所示。以肌红蛋白（myoglobin，Myo）为靶标，可以实现AA的有效再生，从而实现了超灵敏分裂型PEC免疫测定的信号放大过程。该传感器检测限为0.03 pg/mL，检测范围是0.1 pg/mL～0.1 μg/mL。这项工作提出了新的光电化学氧化还原循环概念，为光电化学分析法提供了新的思路。
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图 9 PEC免疫分析传感器示意图 Fig. 9 Schematic diagram of the PEC immunoassay sensor |
You等[21]设计并制备了具有优异光电转换效率的Z型Bi2S3/ 氮掺杂石墨烯量子点（nitrogen-doped graphene quantum dots，NGQDs），如图10所示。与Bi2S3相比，Z型Bi2S3/NGQDs提高了对光生电子的分离效率，表现出更强的光电活性。并利用电子自旋共振（electron spin resonance，ESR）技术验证了Z型异质结电荷转移的机制。在此基础上，该传感器对磺胺二甲氧嘧啶（sulfadimethoxine，SDM）的线性检测范围为0.10～120.00 nmol/L，检测限为0.03 nmol/L ，且具有较高的灵敏度，较好的选择性和稳定性。
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图 10 基于Bi2S3/NGQDs的PEC生物传感器示意图 Fig. 10 Schematic diagram of the PEC biosensor based on Bi2S3/NGQDs |
Li等[22]提出了一种用于淀粉样蛋白-β蛋白检测的ECL分析法。他们使用MoS2/Bi2S3复合材料作为基底材料，负载贵金属用于固定抗体，该免疫传感器有着较宽的线性范围和较低的检测限，并表现出优异的稳定性、准确性和重复性。ECL免疫传感器的示意图如图11所示。
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图 11 ECL免疫传感器的示意图 Fig. 11 Schematic diagram of the ECL immune sensor |
为了检测多巴胺（dopamine，DA），Yan等[23]采用了一种简便的一锅水热合成法。通过使用硫代乙酰胺（thioacetamide，TAA）作为还原剂和硫源来合成rGO/Bi2S3纳米复合材料。通过调整rGO的用量获得尺寸可调控的纳米复合材料。由于所制备的纳米复合材料的特殊结构以及rGO片和Bi2S3纳米棒之间的协同作用，rGO/Bi2S3薄膜可以有效地加速电子传输和扩展催化活性位点，从而提高电化学响应。rGO/Bi2S3/GCE传感器具有0.01～40.00 μmol/L的宽检测范围和12.3 nmol/L的低检测限。使用这种方法所制备的传感器可以应用于检测尿液样本中DA。rGO/Bi2S3复合材料的合成路线和DA的电催化示意图如图12所示。
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图 12 rGO/Bi2S3复合材料的合成路线示意图和DA的电催化性能 Fig. 12 Schematic diagram of the synthesis route of rGO/Bi2S3 composite and electrocatalytic performance of DA |
Rajalakshmi等[24]报道了一种使用硫化铋/聚吡咯（Bi2S3/PPy）修饰的丝网印刷电极（screen printing electrode，SPE）的新型无标记免疫分析法，用于快速简便地检测催乳素（prolactin，PRL）。如图13所示，通过简便的水热技术合成了Bi2S3纳米棒，并利用化学聚合法制备了PPy。随后，Bi2S3/PPy/SPE用3-巯基丙酸（3-mercaptopropionic acid，MPA）进行改性，抗体-PRL被牢固地修饰在SPE表面。这些复合材料增强了免疫传感器的导电性和抗体-PRL的负载能力。在优化条件下，PRL免疫传感器表现出1～250 ng/mL的宽线性范围、0.130 ng/mL （3×SD/b）的低检测限，具有良好的灵敏度、特异性、重现性和稳定性。
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图 13 用于PRL电化学免疫传感的Bi2S3/PPy的制备和抗体-PRL的固定示意图 Fig. 13 Schematic diagrams of the preparation of Bi2S3/PPy for electrochemical immunosensing of PRL and fixation of resistance to PRL |
表2中总结了上述采用Bi2S3材料的生物分析方法、材料形貌、目标物、检测范围和检测限。可以看出，Bi2S3材料在不同分析方法中有着良好的性能，具有响应快速，检测限低，检测范围宽，目标物范围广等优势。
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表 2 基于Bi2S3材料的生物分析方法 Tab. 2 Biological analysis methods based on Bi2S3 material |
受Bi2S3在生物分析领域的良好性能的启发，本文总结了不同形貌Bi2S3的制备方法，并归纳了不同类型的基于Bi2S3材料的生物分析方法，不论是与金属、金属氧化物还是其他材料复合，所开发的生物分析方法均有较低的检测限和较大的检测范围，且灵敏度、稳定性和特异性也十分优异，可检测的目标物范围也非常广泛。综上所述，Bi2S3材料在生物分析领域具有很大的潜力，为设计更高效，更灵敏的分析方法提供了思路，同时也需要更多的研究工作来拓展其应用。
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