综述：基于WO?基异质结复合材料的光电化学免疫测定法在毒素检测中的应用：综述

《Microbiology Resource Announcements》：Photoelectrochemical immunoassay based on WO 3-based heterojunction composites for detection of toxins: A review

Photoelectrochemical immunoassay technology overview and WO3-based composite research进展。摘要：传统检测方法存在成本高、耗时长、便携性差等问题，而光化学电化学免疫检测（PEC）技术凭借高灵敏度、操作简便和可微型化优势成为研究热点。核心光活性材料WO3因其优异光电特性、无毒性和易合成备受关注。本文系统综述PEC传感器机制分类、WO3光电性能增强策略及其复合材料在免疫检测中的应用进展，为开发高性能PEC检测平台提供理论指导。

　　

Fubin Pei|Zhanyu Wang|Zhenguang Wang|Jiao Liu|Tianxiang Hang

中国江苏省南通市226601，南通理工学院安全工程与应急管理学院，石油和化工行业安全生产工业互联网工程实验室

摘要

尽管传统的检测方法已经成熟且可靠，但它们在成本、时间、便携性和灵敏度方面的局限性凸显出迫切需要开发快速、灵敏且实用的检测技术。光电化学（PEC）免疫测定结合了光化学、电化学和免疫测定的原理，具有多种优势，如低背景信号、高灵敏度、简单的仪器设备、用户友好的操作方式以及微型化的潜力。其性能的核心在于光活性材料。在各种光活性材料中，三氧化钨（WO₃）因其优异的光电性能、无毒性、强耐腐蚀性和易于合成而受到广泛关注。本文系统总结了PEC传感器的机制和分类，探讨了提高WO₃光电性能的策略，以及基于WO₃的复合材料的最新进展，旨在为高性能PEC检测平台的发展提供有价值的见解和指导。

引言

传统的检测方法主要包括：高效液相色谱（HPLC）、液相色谱-质谱（LC-MS）和酶联免疫吸附测定（ELISA）。虽然这些方法成熟且准确，但由于依赖昂贵的仪器、耗时的程序和熟练的技术人员，它们的应用受到限制[1,2]。此外，胸部计算机断层扫描（CT）、逆转录聚合酶链反应（RT-PCR）和侧向流动免疫测定（LFA）也发挥了重要作用[3]。然而，CT检测设备成本过高且体积庞大，不适合广泛部署；RT-PCR检测耗时较长且依赖熟练的技术人员，不利于推广；而LFA虽然适用于多种环境且操作简单，但其高检测限限制了对低浓度目标的准确识别。因此，开发新型的快速灵敏检测方法仍然具有重要的研究价值。

多种检测技术，如分子印迹、荧光免疫测定、电化学发光免疫测定、电化学免疫测定和光电化学（PEC）免疫测定，已被广泛应用于食品安全、疾病标志物诊断以及有毒有害物质的检测[[4], [5], [6]]。其中，PEC免疫测定是一种基于光化学、电化学和免疫测定原理的新兴检测技术，因其低背景信号、相对较低的仪器成本、简单的操作方式、快速响应和高灵敏度等优点而受到分析人员的青睐[7,8]。

典型的PEC免疫测定系统由光源、检测系统和信号输出装置组成，如图1所示[9]。核心检测系统包含光电转换材料和信号识别剂（通常是抗体）。由于激发信号（光）和检测信号（电流）是两种互不干扰的信号类型，PEC免疫测定具有低背景信号和高灵敏度的优势[10]。PEC免疫测定的高选择性归因于特定的抗原-抗体识别。此外，电信号的使用有助于检测设备的微型化。在光激发下，系统建立了目标分析物浓度与可测量电化学信号之间的定量关系，从而实现目标的准确量化。光活性材料在此过程中起着关键作用。纳米技术的快速发展促进了新型光电材料的涌现，推动了PEC免疫测定的进步。因此，PEC免疫测定已成功应用于环境污染物[11]、食品污染[12]和疾病标志物[13]的检测。

随着纳米材料的快速发展，多种光电活性材料被开发出来，推动了PEC免疫测定的快速发展。根据组成不同，光活性材料通常分为有机、无机和复合光活性材料。其中，主要由氧化物、硫化物等无机化合物组成的无机光电活性材料因制备方法简单、成本低和光电转换性能高而受到广泛研究[14]。常见的无机光活性材料包括氧化物（如TiO₂、WO₃、ZnO、BiVO₄）[15]、硫化物（如CdS、MoS₂、ZnIn₂S₄）[16]、碳基材料（如g-C₃N₄、SiC）[17]。其中，三氧化钨（WO₃因其优异的光电活性、无毒性、强耐腐蚀性和易于合成而受到研究人员的关注[18]。鉴于WO₃复合材料在PEC免疫测定中的重要性，本文重点讨论了PEC传感器的检测机制和分类、提高WO₃光电性能的策略，以及基于WO₃的复合材料的研发进展。

PEC免疫测定的机制

PEC免疫测定中电信号的产生和变化涉及一系列物理和化学过程[19]。检测机制依赖于使用电信号（主要是电流和电压）来指示目标分子的浓度。换句话说，电信号与目标浓度之间存在可量化的关系，从而实现精确的定量检测。该机制在业界得到了广泛认可，其基本原理包括

三氧化钨（WO₃）简介

三氧化钨（WO₃的结构被认为是ABO₃型钙钛矿的衍生物，A位点为空，B位点为钨原子。由于钨原子的反铁电位移和氧原子八面体的旋转倾斜，其结构呈扭曲的八面体形态[44]。WO₃是一种n型半导体，具有间接窄带隙（2.5–2.8?eV），在酸性介质中表现出良好的光化学稳定性，并在紫外-可见光谱范围内有强烈的吸收特性。

基于三氧化钨（WO₃的复合材料的PEC免疫测定研究进展

随着半导体科学的快速发展，通过元素掺杂、贵金属负载和异质结构构建等策略，成功开发出了基于WO₃的复合材料。这些复合材料形成了异质结，有助于光生电子（e^?/空穴（h⁺）的分离和传输，从而增强了光电化学活性。因此，基于WO₃基复合材料的PEC免疫测定可以实现灵敏和痕量检测。

PEC免疫测定研究中的挑战

总体而言，小分子适合通过无标记PEC免疫测定进行检测，因为它们的分子尺寸较小；而大分子目标则可以通过无标记或夹心PEC免疫测定进行检测。基于电流的PEC免疫测定因其操作简便和响应快速而在研究中得到广泛应用。作为PEC免疫测定的核心组成部分，半导体在实现检测灵敏度方面起着关键作用。特别是三氧化钨（WO₃

CRediT作者贡献声明

Fubin Pei：撰写初稿、资源获取、资金筹集、数据管理。Zhanyu Wang：验证、研究、概念构思。Zhenguang Wang：可视化处理、数据分析。Jiao Liu：撰写与编辑、监督。Tianxiang Hang：撰写与编辑、方法学设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项工作得到了南通市科学技术计划（项目编号：MSZ2024001）、南通理工学院的博士启动基金以及石油和化工行业安全生产工业互联网工程实验室的支持。