双功能硫掺杂介导界面梯度电场用于原位放大光电化学免疫分析：癌症早期诊断新希望

为解决光阳极材料电子 - 空穴分离效率低、界面反应性受限等问题，研究人员开展基于 In2OxS3-x-Cu 光阳极系统的光电化学（PEC）免疫分析研究。结果显示该系统检测癌胚抗原（CEA）超灵敏、背景低，为早期癌症分析等提供新策略。

　　

在生命科学和医学研究领域，疾病的早期精准诊断一直是人们不懈追求的目标。光电化学（PEC）免疫分析作为一种新兴的检测手段，凭借快速响应、高灵敏度和低背景信号等优势，在重金属检测、食品安全分析以及即时医疗诊断等多个方面展现出巨大潜力，吸引了众多科研人员的目光。然而，就像前进道路上总有绊脚石，目前用于 PEC 免疫传感器的大多数光活性材料存在电子 - 空穴分离效率低下和界面反应性有限的问题。这就好比一辆汽车，发动机（电子 - 空穴分离）不给力，轮子（界面反应性）转得也不顺畅，严重限制了它在超灵敏 PEC 分析中的应用，使得检测低丰度分析物变得困难重重 。

癌胚抗原（CEA）作为一种广泛应用的血清肿瘤标志物，在胰腺癌、结肠癌、卵巢癌和宫颈癌患者体内常常异常表达。正常人体血清中 CEA 浓度应低于 2.5 ng/mL，一旦超过这个数值，就可能暗示身体出现了异常状况。但由于其在血清中低丰度存在，如何实现对它的超灵敏检测，成为了摆在科研人员面前的一道难题。

为了攻克这一难题，福建中医药大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们致力于开发一种基于 In₂O_xS_3-x-Cu 光阳极系统的超灵敏、低背景的 PEC 免疫分析方法，用于检测 CEA。研究人员通过一系列巧妙的实验设计，成功构建了一种新型的 PEC 免疫传感器。

研究人员在实验过程中用到了多种关键技术方法。在材料制备方面，采用了水热生长、热氧化以及电化学氧化 - 交换等技术，制备出 In₂O_xS_3-x光阳极；在检测分析时，运用了原位 X 射线光电子能谱（XPS）和密度泛函理论（DFT），确定了 In₂O_xS_3-x内置梯度电场的存在 。

合成光阳极系统 In₂O_xS_3-x

研究人员先将商用 FTO 电极依次用丙酮、乙醇和水清洗干净。在典型的合成过程中，配置 4.0 mmol 的氯化银水溶液（50 mL）并搅拌至完全溶解，接着加入 8 mmol 硫脲继续搅拌。混合均匀后，将溶液转移到 100 mL 的聚四氟乙烯内衬钢质高压反应釜中进行水热反应，同时将六片 FTO 电极垂直放置其中。这一系列操作是构建光阳极系统的基础，为后续实验奠定了重要基石。

光阳极系统 In₂O_xS_3-x的表征

研究人员首要目标是构建高效光阳极系统，因此对光阳极系统各阶段的结构进行了测定。通过光学显微镜观察 In₂O₃和硫化处理后的 In₂O_xS_3-x的表面结构，发现 In₂O₃纳米阵列呈现均匀薄膜样本的形态。这一发现有助于了解材料的微观结构，为进一步优化光阳极性能提供了依据。

研究结果

1. 材料性能优化：通过两步反应设计形成了梯度掺杂的 In₂O_xS_3-x异质结，使得 In₂O₃的本征带隙从 2.7 eV 降低到 2.49 eV 。同时，建立了内置电场，增强了电荷分离效率。这就好比给材料内部安装了一个高效的 “分离器”，让电子和空穴能够更快地分开，各走各的路，提高了材料的性能。
2. 光电流显著增强：硫（S）掺杂不仅降低了 In₂O₃的带隙，还建立了梯度电场，大大促进了电荷分离，使得光电流大幅提升。而且，在检测过程中，S 会与检测探针释放的 Cu²⁺发生反应，进一步放大光电流信号。这就像是给检测信号安装了一个 “信号放大器”，让原本微弱的信号变得更加强大，更容易被检测到。
3. 检测性能优越：在优化条件下，基于光阳极界面反应开发的 PEC 免疫传感系统展现出超宽的检测范围（0.05 - 100 ng/mL）和超低的检测限（13.5 pg/mL）。这意味着该系统能够检测到极低浓度的 CEA，为癌症的早期诊断提供了有力支持。

研究结论和讨论

这项研究成功开发了一种新型的 PEC 免疫传感器，用于超灵敏检测 CEA。双功能 S 掺杂介导的界面梯度电场，结合原位硫掺杂的 In₂O_xS_3-x光阳极和 Cu²⁺介导的信号放大策略，为高效 PEC 生物免疫传感器提供了一种极具前景的原位超灵敏监测策略 。这一成果对于早期癌症分析和床边诊断意义重大，有望在未来临床实践中发挥重要作用，帮助医生更早、更准确地发现癌症，为患者争取宝贵的治疗时间。同时，该研究也为其他类似的生物分析检测提供了新的思路和方法，推动了生命科学和健康医学领域的发展。论文发表在《Biosensors and Bioelectronics》，为相关领域的科研人员提供了重要的参考和借鉴 。