通过具有串联纳米结构的光载流子传输功能层来提升集成PEC生物传感器的性能

《Bioscience Reports》：Improving the Performance of Integrated PEC Biosensors by Photocarrier Transfer Function Layers with Tandem Nanostructure

光电化学传感器通过多层级纳米结构BTNCM（BiVO4/TiO2/NiCrO_x/Ti2CO2 MXene）实现高分辨率检测，超低检测限0.03 fg/mL下可识别Aβ40/42和tau蛋白，机制涉及氧化还原反应与空间位阻效应，临床样本验证与SimoA平台一致，为早期AD诊断提供非侵入式解决方案。

　　

郭毅伟|任思|李丽婷|戴贤英|周林福|卜玉玉

中国西安电子科技大学微电子学院宽禁带半导体器件与集成技术国家重点实验室，710071

摘要

提高光电化学（PEC）传感器的分辨率对于在复杂的生物医学环境中实现可靠检测至关重要。本文报道了一种集成的PEC生物传感器，该传感器采用了一种由BiVO₄（BVO）、TiO₂、NiCrO_x和Ti₂CO₂以及MXene（BTNCM）组成的串联纳米结构光电极，旨在增强光载流子的传输和表面反应动力学，从而提高传感器的分辨率。这种多层结构充当光载流子传输功能层，其中NiCrO_x作为共催化剂促进界面电荷传输，而TiO₂和MXene分别有助于高效电荷分离和适配体的固定。得益于这些协同效应，BTNCM生物传感器能够超灵敏地检测阿尔茨海默病（AD）的生物标志物，包括β-淀粉样蛋白40（Aβ40）、β-淀粉样蛋白42（Aβ42）和tau蛋白，检测限可低至约0.03 fg/mL（信噪比=3），同时具有约40 μA/cm² dec^-1的高信号分辨率。机制分析表明，像Aβ40和Aβ42这样的小分子通过氧化还原反应增强光电流，而像tau蛋白这样的大分子则会引起空间位阻，导致PEC传感响应减弱。值得注意的是，使用临床脑脊液和血浆样本进行的验证结果显示，该传感器的检测结果与商业超灵敏免疫测定平台SimoA高度一致，证明了其可靠性和临床相关性。这项工作提供了一种可扩展且成本效益高的PEC生物传感策略，可用于早期和精确的AD诊断，为未来在非侵入性精准医学中的应用奠定了有希望的基础。

部分内容摘录

引言

光电化学（PEC）生物传感器利用半导体材料中的光驱动电荷分离来检测目标分子，具有高灵敏度、低检测限以及易于微型化的特点，适用于生物标志物分析和环境监测（Justino等人，2017；Shu和Tang，2019；Zhao等人，2016, 2014）。这些优势凸显了PEC传感器在需要快速、便携和精确分子检测的应用场景中的巨大潜力（Phogat等人，2024）。

BVO光电极的制备

BVO薄膜是按照先前报道的改进电沉积-热转化方法制备的（Li等人，2020）。具体而言，首先在导电基底上电沉积BiOI薄膜，然后通过涂覆钒前驱体溶液并在450°C下退火1小时将其转化为BiVO₄（记为BVO（B））。

在BVO光电极上沉积TiO₂

采用原子层沉积（ALD）技术在BVO光电极表面均匀沉积了一层TiO₂

合成与结构表征

如图1a所示，BTNCM光电极结合了TiO₂、NiCrO_x和Ti₂CO₂ MXene层，以提高催化活性、增强光电流生成并实现稳定的适配体固定，从而优化了PEC传感器的整体性能，特别是其分辨率。首先通过电沉积制备了B光电极，其表面呈蠕虫状（图S1a）。然后通过原子层沉积（ALD）沉积一层薄TiO₂薄膜以形成量子隧穿结构

结论

本研究提出了一种基于串联多层纳米结构BTNCM的集成PEC适配体生物传感器，旨在克服传统PEC传感系统的分辨率限制。通过合理组合多个功能层，该传感器建立了高效的光载流子传输系统：TiO₂促进电荷分离，NiCrO_x加速催化表面反应，MXene凭借其高导电性和表面特性有助于适配体的固定

CRediT作者贡献声明

卜玉玉：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、研究、概念构思。任思：资源获取、方法论设计、数据分析。李丽婷：软件开发、资源提供、数据分析。戴贤英：资源获取。周林福：资源获取、方法论设计、数据分析。郭毅伟：撰写——初稿撰写、方法论设计、研究、数据分析、概念构思

未引用参考文献

Li等人，2024；Ma等人，无日期；Wang等人，2024。

伦理批准

本研究已获得西北大学医学伦理委员会的批准（批准编号220628001），并确保研究符合1964年《赫尔辛基宣言》及其后续修订版或同等伦理标准的要求。

利益冲突声明

本文为原创作品，所有作者均了解其内容并同意提交。本文尚未在其他地方发表，也不会被其他机构考虑发表。所有作者均不存在利益冲突；如果本文被接受，也不会以相同形式在其他地方发表。