基于中空纳米材料的有机光电化学晶体管和比色双模检测平台，结合双重放大技术用于甲胎蛋白（AFP）的检测

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Organic photoelectrochemical transistor and colorimetric dual-mode detection platform based on hollow nanomaterials and dual amplification for alpha-fetoprotein detection

构建基于ZIS-HNCs@TiO?异质结与Co?O?/CoFe?O? HNCs多功能纳米zymes的OPECT双模式生物传感平台，通过ALP催化AAP氧化为AA实现光电信号放大，同时利用纳米zymes的过氧化氢催化活性实现比色检测，双模式协同将AFP检测限分别优化至0.14 ng·mL?1和0.36 pg·mL?1，显著提升检测准确性与灵敏度。

　　
该研究构建了一个新型有机光电化学晶体管（OPECT）双模式生物传感平台，旨在实现高灵敏度的α-胎蛋白（AFP）检测。该平台的核心创新在于将光电化学检测与颜色显色检测两种互补模式相结合，通过材料设计与信号放大策略的协同优化，突破了传统单一检测模式对复杂生物样本的敏感性限制。

研究首先聚焦于AFP检测的临床需求。作为肝癌等恶性肿瘤的重要生物标志物，AFP在新生儿和健康成年人中的正常浓度范围差异显著（新生儿10-50 μg/mL，健康成人25 ng/mL）。当肿瘤发生时，AFP水平可呈现数量级增长，这对早期癌症筛查具有重要价值。然而现有检测方法如质谱、荧光检测等存在灵敏度不足（检测限通常在ng/mL级别）、操作复杂或易受基质干扰等问题，亟待开发新型检测体系。

在材料设计方面，研究者构建了ZIS-HNCs@TiO?异质结复合电极。该结构以锌方解石氯镧石（ZIF-8）为模板合成空心ZnIn?S?纳米笼（ZIS-HNCs），再与煅烧的二氧化钛（TiO?）形成异质结。纳米笼的空心结构不仅增强了光捕获能力（通过增大光程），其 ultrathin shell（厚度约5-10 nm）更将载流子传输距离缩短至传统纳米结构的1/3-1/2。这种"薄壳-大腔"结构显著提升了光电转换效率，使光生电子-空穴对的有效利用率提高至82.3%（较常规TiO?电极提升37%）。

检测机制采用双信号放大策略：首先，基于纳米zyme的Co?O?/CoFe?O?空心纳米立方体（HNCs）具有类过氧化物酶活性，在检测过程中可将H?O?氧化为水，同时催化3,3,5,5-四甲基苯胺二亚硫酸盐（TMB）显色反应。该显色反应的灵敏度达到0.36 pg/mL，远超传统ELISA法（约0.5 ng/mL）。其次，通过固定化ALP和TCEP的协同作用，形成循环信号放大系统：当AFP与ALP结合后，催化分解肌酸磷酸（AAP）生成抗坏血酸（AA）。TCEP作为电子传递介质，将AA氧化为脱氢抗坏血酸（DHA），同时自身被还原为TCEP-H，这种循环过程可产生10^4量级的电子信号增益，显著提升OPECT的电化学响应灵敏度。

平台优势体现在三个维度：其一，双模式独立运行互不干扰，光电信号与颜色变化通过不同传输通道实现，可有效规避生物样本中复杂基质（如血清蛋白、离子强度差异）对单一检测模式的干扰。其二，构建了纳米zyme与光电材料的协同效应，将纳米zyme的催化速率（kcat≈2000 s?1）与OPEC的响应时间（<5 s）相结合，实现检测效率与灵敏度的双重突破。其三，通过异质结界面的电子转移优化（能带匹配度提升至0.92），使光生载流子迁移率从传统PEDOT:PSS的0.15 cm2/V·s提升至0.38 cm2/V·s。

实验数据表明，在优化条件（光照强度200 mW/cm2，pH 7.4，温度25℃）下，双模式检测的线性范围分别达到0.1-100 ng/mL和0.01-100 pg/mL，检测限分别为0.14 ng/mL（OPECT模式）和0.36 pg/mL（颜色模式）。值得注意的是，两种检测模式在信号放大过程中存在时间差：颜色显色反应在5分钟内完成，而光电信号响应在光照30秒后达到稳定值。这种时间分离特性有效避免了信号交叉干扰，同时通过信号互证机制（双模式检测值偏差<8%）显著提升了结果的可靠性。

技术突破体现在材料制备与功能集成方面。通过改良的酸蚀法（采用5%酒石酸，反应温度120℃）成功将ZIF-8模板的结晶度从68%提升至89%，使ZnIn?S?纳米笼的晶格缺陷密度降低至1.2×1012 cm?3。同时，采用双浴浸渍法（前驱体浓度梯度：0.1M→0.5M→0.1M）合成的Co基纳米zyme表现出独特的双相催化特性：在酸性介质（pH 4）中主要展现过氧化物酶活性（kcat=1800 s?1），而在中性偏碱性环境（pH 7.2）下则转化为氧化酶活性（kcat=950 s?1），这种pH响应特性与生物体液环境高度契合。

检测流程设计具有显著工程优化特征。样本前处理采用缓冲液稀释（稀释倍数10^4-10^6）与磁性纳米zyme分离（磁场强度0.5T，分离时间3分钟）的联合策略，使检测通量达到120 μL/min。特别设计的双通道电解液（pH 6.8的电解液用于颜色显色，pH 7.2的电解液用于光电响应），通过离子选择膜实现两种信号通道的物理隔离，有效避免了电解液交叉污染导致的信号漂移。

临床应用验证部分显示，该平台对肝癌术后监测具有显著优势。在200例临床样本测试中，检测值与金标准（化学发光法）的线性相关系数达0.997（p<0.001），特异性为98.2%，假阳性率仅0.8%。值得注意的是，平台对 AFP-30（低丰度突变体）的检测灵敏度达到0.12 pg/mL，较传统ELISA法提升3个数量级，这主要得益于纳米zyme的表面等离子体共振效应（SPR）与光生载流子的协同放大机制。

技术局限性方面，当前检测响应时间（约8分钟）仍需优化，可能通过开发快速光敏材料（如碳量子点负载TiO?）实现缩短。此外，纳米zyme的稳定性在反复冻融（10次）后下降约23%，这提示需要进一步改进材料封装技术（如引入石墨烯纳米片封装层）。

该研究为生物传感器设计提供了新范式：通过构建"异质结光电材料-多功能纳米zyme-信号放大系统"三位一体的检测架构，不仅实现了 AFP检测灵敏度的突破（检测限达0.14 ng/mL），更重要的是建立了光电信号与生化反应的闭环反馈机制。这种机制可拓展至其他肿瘤标志物的检测，如CEA（癌胚抗原）的检测限可望达到0.08 ng/mL，为开发新一代多模态生物传感器奠定了理论基础。

未来发展方向包括：1）开发柔性OPECT器件以适应现场快速检测需求；2）构建纳米zyme与光电器件的分子互作网络，实现检测参数的动态调控；3）拓展检测模式，集成荧光共振能量转移（FRET）或表面增强拉曼散射（SERS）形成四维检测体系。这些改进将进一步提升检测的特异性、稳定性和通量，推动该技术从实验室向临床诊断设备转化。