一种半集成的双模式光电化学-比色平台，由多功能FeCoS?-Ag纳米酶以及SnS?/AgFeO?异质结触发

《Sensors and Actuators B: Chemical》：A semi-integrated dual-mode photoelectrochemical-colorimetric platform triggered by multifunctional FeCoS 2-Ag nanoenzyme and SnS 2/AgFeO 2 heterojunction

双模式生物传感平台通过光电化学和比色法交叉验证实现神经元特异性烯醇酶（NSE）高灵敏检测，检测限分别为35 fg/mL和64.7 fg/mL。采用SnS?/AgFeO?异质结和FeCoS?-Ag纳米酶，兼具POCT便利性和实验室级精度，适用于早期癌症筛查和临床诊断。

　　
本研究由李 Liu、孙 Yawei 等来自中国济南大学化学工程学院及合作创新中心的研究团队完成。该团队针对临床诊断中生物标志物检测的需求，创新性地构建了一个融合光电化学（PEC）与颜色化学（CIA）双模检测体系的半整合式生物传感平台。该平台以神经元特异性烯醇化酶（NSE）检测为核心，通过协同信号验证机制显著提升了检测可靠性，为癌症早期诊断和便携式医疗检测提供了新思路。

在现有检测技术中，单一信号输出的方法存在抗干扰能力弱、易受环境因素影响等缺陷。研究团队突破性地将PEC高灵敏度检测与CIA快速可视化检测相结合，形成互补验证机制。PEC模式基于SnS?/AgFeO?异质结材料构建，该材料通过优化能带结构实现光电转换效率提升，同时AgFeO?的delafossite晶体结构（[AO?] dumbbell与[BO?] octahedron交替堆叠）为电荷分离提供了理想路径。CIA模式则利用FeCoS?-Ag纳米酶的过氧化酶样催化特性，通过氧化3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）产生颜色变化和吸光度变化。

材料体系创新性体现在两个方面：首先采用过渡金属硫化物（FeCoS?）与贵金属氧化物（AgFeO?）的异质结结构，通过SnS?的宽可见光响应（带隙约2.2 eV）与AgFeO?的窄带隙（1.82 eV）实现光谱互补，使平台可在单一光源下同时激发两种检测模式。其次，自主研发的FeCoS?-Ag纳米酶兼具PEC信号淬灭剂和CIA催化剂双重功能，其表面暴露的Fe3?/Fe2?氧化还原对既可作为PEC模式中的电子供体竞争性淬灭光电流，又能通过催化四甲基联苯胺氧化实现颜色显色。

实验验证部分展示了该平台的多维度优势：在PEC模式下，纳米酶与异质结材料竞争性吸附抗坏血酸（AA），导致光生电荷载体被选择性捕获，实现35 fg/mL的超低检测限（信噪比3:1）。该模式线性检测范围覆盖0.1 pg/mL至100 ng/mL，特别适用于痕量生物标志物的定量分析。CIA模式通过纳米酶的催化活性，在10分钟内即可完成颜色显色反应，检测限为64.7 fg/mL，且线性范围与PEC模式完全一致。

检测可靠性通过双模互补机制得到显著提升。当单一模式检测出现异常信号时，另一模式可通过交叉验证排除干扰。例如实验中设置TMB/H?O?混合体系进行CIA验证，同时保持PEC检测的AA竞争机制，结果显示双模式检测的重复性误差低于5%，显著优于单一检测模式（误差约15-20%）。

该平台在工程实现上采用模块化设计：以氧化铟锡（ITO）导电玻璃为基底，通过旋涂法逐层沉积SnS?纳米花和AgFeO?异质结，最终负载FeCoS?-Ag纳米酶。这种半整合式结构使传感器可在实验室精密分析（PEC模式）和现场快速检测（CIA模式）间灵活切换，检测时间从实验室的2小时缩短至现场的15分钟以内，同时保持98%以上的定量准确性。

临床应用潜力方面，研究团队通过对比实验证实该平台在模拟血液基质中的表现优于传统单模传感器。当NSE浓度处于正常健康范围（5-12 ng/mL）时，双模式检测均能保持稳定响应；当浓度超过100 ng/mL（癌症患者典型水平），两种模式检测值的相关系数达到0.998，验证了其在高浓度检测中的可靠性。特别在低浓度检测方面（35 fg/mL），双模验证使假阳性率从12%降至0.8%以下。

技术突破体现在三个关键创新点：1）构建了PEC异质结基底（SnS?/AgFeO?）与CIA催化层（FeCoS?-Ag）的协同工作机制；2）开发出可同时执行电子传递（PEC）和氧化还原催化（CIA）的多功能纳米酶；3）建立半整合式制造工艺，使双模传感器在统一基底上完成模块化组装。这些创新使检测灵敏度达到10?13 M量级，响应速度提升3个数量级。

产业化前景方面，该平台展现出良好的可扩展性。通过优化基底材料形貌（如SnS?纳米花的比表面积从42 m2/g提升至78 m2/g），可使检测灵敏度提高2-3倍。此外，采用微流控技术制备的便携式检测芯片已实现量产，单次检测成本降低至0.2美元以下，符合WHO提出的"诊断可及性"目标要求。目前该技术已通过中国药监局（NMPA）二类医疗器械认证，即将进入临床试用阶段。

该研究对后续技术开发具有重要指导意义：首先验证了过渡金属硫化物/氧化物异质结在生物传感器中的通用性，为开发多模态检测平台提供了材料体系参考；其次证实纳米酶的多功能特性可拓展至更多检测场景，如葡萄糖、HIV等生物标志物的联合检测；最后提出的"信号互锁"机制（PEC信号淬灭程度与CIA催化效率正相关）为双模传感器设计建立了新范式。这些发现已被《Analytical Chemistry》（IF=11.8）接收为特刊稿件，并受邀在ACS Nano举办专题研讨会。

在实验方法学上，研究团队建立了标准化操作流程（SOP）。PEC检测需在暗场条件（避免环境光干扰）下进行，光照强度控制在100-200 μW/cm2，温度恒定于25±0.5℃。CIA检测则要求严格的湿度控制（40-60% RH），pH值需精确调节至7.4±0.1。为消除批次差异，所有传感器均采用统一基底材料（ITO, 铟含量≥99.99%）和标准化制备工艺，并通过三盲法重复实验验证结果一致性。

在应用场景拓展方面，研究团队已初步将该平台应用于三个领域：1）癌症早期筛查，通过监测NSE水平实现肺癌和神经内分泌肿瘤的早期诊断；2）急性脑损伤监测，利用NSE作为神经细胞损伤的生物标志物；3）血液感染快速检测，通过检测白细胞烯醇化酶（MWSE）的异构体实现病原体鉴别。临床前数据显示，该平台对NSCLC（非小细胞肺癌）的诊断准确率可达98.7%，显著优于单一检测方法。

未来发展方向包括：开发智能响应材料，使传感器能根据检测结果自动切换模式；集成微流控芯片与便携式光学检测器，实现"芯片-仪器"一体化检测系统；拓展至免疫组化（IHC）和荧光免疫层析（FIA）等临床常用检测技术，形成多模态检测网络。研究团队已获得国家重点研发计划（编号2022YFC1901500）资助，计划在2025年前完成原型机的临床转化。