近年来,光电化学(PEC)免疫分析因具有背景信号低、检测性能优异、操作简单等优点在生物分析中受到关注,但目前应用的半导体材料存在光生电子-空穴复合速度快、可见光吸收效率低等缺点。为解决这些问题,合成并应用异质结纳米材料被认为是一种有潜力的方法。刘彦明教授、曹俊涛教授课题组在前期的工作中,开发了一系列II型异质结光电纳米材料。如借助铋基材料良好的生物相容性和较强的可见光响应,原位合成了Bi2MoO6-Bi2S3 II型异质结光电材料,有效的增强了光生载流子的分离效率,实现了对L-半胱氨酸的灵敏检测;将Ag2PO4-Br-CN光阳极与CuInS2光阴极结合,通过原位生成Ag2PO4/AgBr/Br-CN三元II型异质结光电材料,构建一种双光电极自供能PEC传感平台,实现对前列腺特异性抗原(PSA)的灵敏检测;利用Bi4O5I2-Fe SAs和AgI匹配的能带结构,原位合成Bi4O5I2-Fe SAs-AgI II型异质结,有效的抑制了光生电子-空穴的复合,实现了对肌红蛋白的灵敏检测,这些成果相继发表在(Front. Chem., 2022, 10, 845617;ACS Appl. Nano Mater. 2023, 6, 6496-6503;ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 14626-14632)上。
II型异质结虽然促进了光生载流子的分离,但牺牲了单一半导体材料较高的氧化电位和还原电位。基于此,本课题组合成了一种新型的g-C3N4/NaBiO3 (CN/NBO) Z型异质结,结合谷胱甘肽-Cu/Cu2O纳米酶(GSH-Cu/Cu2O NPs)信号放大探针,构建一种用于PSA检测的三明治型PEC免疫传感器。CN/NBO Z型异质结独特Z型电荷-载流子迁移路径既有效促进了光生电子-空穴对的分离和迁移,又保持了较高的氧化还原电位,进而可产生强的光电流响应。然后,通过免疫反应将具有抗坏血酸氧化酶能力的GSH-Cu/Cu2O NPs引入PEC免疫传感体系,利用GSH-Cu/Cu2O NPs对光电极的双重光电流猝灭实现信号双重放大:一方面,GSH-Cu/Cu2O NPs作为抗坏血酸氧化酶,可以催化PEC体系中的电子供体抗坏血酸(AA)生成DHA,导致光电极的空穴清除率降低,使光生载流子重新复合;另一方面,GSH-Cu/Cu2O NPs阻止了AA从检测溶液到光电极界面的转移,进一步加剧了PEC信号阻尼效应。,利用此双重猝灭机制实现了PSA的高灵敏检测,原理示意图如下。
该研究成果近期以“Nanozyme-mediated signal amplification on g-C3N4/NaBiO3 Z-scheme heterojunction photoelectrode toward ultrasensitive photoelectrochemical immunoassay for prostate-specific antigen”为题发表在《Sensors and Actuators B: Chemical》期刊上。英国正版365官网2022级硕士研究生武攀为论文的第一作者,曹俊涛教授为论文的通讯作者。
(英国正版365官网 唐林供稿 曹新华审稿 曲剧审核)