空间位阻效应与空穴捕获技术的协同作用：高稳定性和高精度的Si/CdS n-n异质结光电化学生物传感技术用于检测β-淀粉样蛋白42

《Talanta》：Steric Hindrance Effect Synergizing Hole-Trapping Technique: High-Stability and High-Accuracy Si/CdS n-n Heterojunction Photoelectrochemical Biosensing of amyloid-β42

生物传感器通过化学浴沉积构建n型硅/CdS异质结并添加抗坏血酸（AA）协同抑制光生载流子复合和CdS自氧化，显著提升淀粉样蛋白β42（Aβ42）检测性能，检测限达3.1×10?1? g/mL。

　　

陈志伟|王远龙|姜凤秋|刘涛|刘长成|王晓|李阳|方珂|敖金平

江南大学集成电路学院，中国无锡214122

摘要

由于载流子复合速度快和光降解作用，硫化镉（CdS）这种n型半导体光敏材料的利用率较低，限制了其在生物传感中的应用。本文提出了一种利用空间位阻效应的协同空穴捕获方法。首先，通过化学浴沉积（CBD）在n型硅（n-Si）基底表面制备Si/CdS n-n异质结。通过界面工程优化载流子传输路径，减少载流子复合速度。为了捕获在CdS价带中积累的光生空穴，同时加入了抗坏血酸（AA），因为它具有强电子捐赠性和可氧化性。这种双重方法提高了传感器的稳定性，并成功减少了CdS的自氧化故障。所制备的光电化学（PEC）传感器能够高精度地检测β-淀粉样蛋白42（Aβ₄₂），这是阿尔茨海默病（AD）早期诊断的关键生物标志物。其工作原理如下：当Aβ₄₂特异性结合到传感器表面的适配体上时，诱导的空间位阻效应阻止了AA扩散到电极表面，从而降低了AA吸收光生空穴的能力，进而减少了光电流。结果显示，光电流的抑制程度（ΔI）与Aβ₄₂浓度呈正相关。在理想条件下，传感器的线性检测范围为10^?17?10^?12 g/mL，检测限（LOD）低至3.1 × 10^?18 g/mL（信噪比S/N = 3）。这项先进的检测技术在精确生物标志物识别领域具有广泛应用潜力，为AD的早期临床诊断提供了新的方法。

引言

阿尔茨海默病（AD）是老年人中最常见的痴呆类型，是一种中枢神经系统的慢性退行性疾病[1]。最新研究估计，到2050年，全球将有超过1.52亿AD患者，使其成为65岁及以上人群的第六大死因[2]、[3]。此外，研究表明，在五年内，30%至50%的轻度认知障碍（MCI）患者会发展为AD[4]。根据最新研究，脑脊液（CSF）中Aβ₄₂水平的降低可以以超过80%的准确率判断MCI向AD的转化[5]。因此，准确监测Aβ₄₂水平对于AD的早期诊断至关重要[6]。

酶联免疫吸附测定（ELISA）[7]、共振光散射（RLS）[8]、荧光共振能量转移（FRET）[9]和毛细管电泳（CE）[10]等方法是近年来可用于该研究领域的几种技术。这些Aβ₄₂检测技术能够提供可靠且精确的定量结果。然而，它们通常存在灵敏度有限和需要昂贵专业设备等缺点[11]。为了克服这些障碍，探索新型光学和电学检测技术十分必要。

光电化学（PEC）传感技术凭借其独特的信号转导机制，表现出优异的选择性，成为一种新兴的生物分子检测策略[12]、[13]、[14]。它还具有分析速度快、成本低和操作简便等优点[15]、[16]。开发具有优异光电特性的光敏材料是构建高效PEC传感器的重要研究方向[17]。硫化镉（CdS）是一种常用的光敏材料，易于获取且具有良好的可见光吸收能力，常用于生物传感领域，被认为是提高材料光电性能的最佳选择[18]、[19]、[20]。不幸的是，CdS的性能受到固有缺陷的严重限制：首先，反应过程中的光腐蚀是导致CdS稳定性差的主要原因；光生空穴容易攻击CdS中的S^2-离子，引起结构降解并释放Cd²⁺[21]。其次，高载流子复合率导致量子效率低[22]、[23]。因此，通过减少光生电子-空穴复合、降低光腐蚀和增加表面活性位点来提高CdS半导体的PEC性能，对于扩大其在PEC传感中的应用至关重要。

研究表明，通过将CdS与其他具有相似能带结构的半导体材料混合，可以有效解决其高载流子复合率问题[24]。在CdS和硅（Si）之间形成异质结，硅是一种资源丰富、加工成熟且性能稳定的半导体材料[25]。这种异质结可以通过其固有的电场促进光生电子-空穴对的分离，从而提高光电流响应性；然而，它无法完全防止空穴对CdS的氧化攻击[26]、[27]。从硫化物光催化机制的角度来看，CdS价带中光生空穴的氧化电位（φ_ox）高于水（φ(O₂/H₂O)）[28]，这会导致有氧条件下的不可逆氧化反应（CdS + 4h⁺ + 2H₂O + O₂ → Cd²⁺ + SO₄^2? + 4H⁺）。即使在无氧环境中，也会导致晶格硫氧化（CdS + 2h⁺ → Cd²⁺ + S）[29]。CdS的稳定性和快速失活主要是由于这种“空穴自氧化”[30]。先前的研究表明，通过引入具有挥发性电子氧化特性的牺牲材料来捕获和消耗CdS价带中的光生空穴，可以显著抑制光腐蚀[31]、[32]。例如，Wang等人向CdS悬浮液中添加了钼酸盐离子作为牺牲剂[33]。这种物质既能捕获空穴，又能通过类似Calvin循环的快速H⁺捕获促进乳酸离子化，从而有效抑制光腐蚀，提高了稳定性及催化活性，并使氢气产生速率比初始值提高了2.51倍（通过将S^2-氧化为S⁰实现）。Kotkondawar等人通过光沉积合成了Pt/Au/CdS多组分异质结构[34]，使用Na₂SO₃-Na₂S水溶液作为牺牲剂。该结构通过自身的光解机制有效清除光生空穴并产生氢气，结合了“空穴清除”和“基于光解的氢气产生”的双重优势。相关方法已验证，并证明其在实际应用中是可行的。除了CdS导致的光降解问题外，电极生物污染（如非特异性蛋白质吸附）也会影响PEC传感器的性能[35]。通过引入适配体可以在一定程度上减少非特异性干扰物质与光电极之间的直接接触，从而形成空间位阻层[36]、[37]，防止这些物质引起的表面钝化和腐蚀。因此，Si/CdS光电极兼具稳定性提升和电荷分离效率增强的优点，非常适合构建高性能PEC传感器。

本研究采用化学浴沉积在n-Si基底表面制备n-Si/CdS异质结光电极，用于定量检测Aβ₄₂，从而构建高灵敏度的PEC生物传感器。首先使用CBD对CdS进行改性，然后将n-Si电极浸入硫甘醇酸（TGA）水溶液中。经过1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC）/N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）活化后，TGA在n-Si/CdS功能化表面引入羧基，使其与Aβ₄₂适配体的氨基发生共价结合。随后将修饰后的电极与不同剂量的Aβ₄₂孵育，再加入牛血清白蛋白（BSA）以阻断非特异性结合位点，形成稳定的复合物。该复合物的高质量传递阻力和绝缘性能阻止了电极表面的电荷转移，导致Aβ₄₂浓度升高时光电流下降。加入抗坏血酸（AA）以捕获光生空穴并抑制CdS的光腐蚀，从而产生更大且更稳定的光电流输出。所制备的PEC传感器为其他生物标志物的检测提供了新的平台，在实际样本中表现出良好的Aβ₄₂检测性能。

材料与仪器

支持信息部分包含了研究中使用的化学物质、试剂和设备的详细信息。

n-Si/CdS电极的制备

本研究通过化学浴沉积法制备了n-Si/CdS光电极[38]。使用前，将n-Si电极切割成2厘米×1厘米的矩形片状，依次在丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水中超声处理30分钟。随后使用5%的氢氟酸溶液去除表面氧化物。

PEC传感器表面的形态表征

扫描电子显微镜（SEM）用于观察薄膜的表面形态。图像显示了通过化学浴沉积在两种不同反应时间（40分钟和60分钟）制备的CdS薄膜的形态变化。40分钟CBD处理的CdS薄膜中观察到大小分布相对均匀的球形纳米颗粒（图1A）。而60分钟CBD处理的CdS薄膜（图1B）则显示出更加均匀的形态

结论

本研究提出了一种结合空穴捕获和空间位阻效应的协同方法，制备了用于检测Aβ₄₂的Si/CdS n-n异质结PEC传感器。Aβ₄₂是AD的早期诊断生物标志物，这一方法旨在解决由于载流子复合速度快和光腐蚀导致n型半导体光敏材料CdS在生物传感中利用率低的问题。通过化学浴沉积在n型硅基底上制备了该异质结。

CRediT作者贡献声明

刘长成：数据分析、概念设计。刘涛：软件开发、实验研究。李阳：实验研究、数据分析。王晓：方法学设计、数据管理。敖金平：项目管理、资金申请。方珂：数据管理、概念设计。王远龙：数据分析。陈志伟：写作、审稿与编辑、方法学设计、实验研究、概念设计。姜凤秋：方法学设计、实验研究

利益冲突声明

本文为原创作品，所有作者均了解内容并同意提交。本文尚未在其他地方发表，也不会被其他期刊考虑发表。所有作者均无利益冲突，若被接受，本文也不会以相同形式在其他地方发表。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（2024YFE0205100）、国家自然科学基金（编号62504093）、江苏省基础研究计划（编号BK20251591）、重庆市科技创新研发计划（CSTB2024TIAD-STX0007）以及江苏省重点研发项目（编号BE2023007-1, BG2024019）的财政支持。