通过氮掺杂碳空穴传输层在α-Fe2O3/CN/NiFe-LDH三元光阳极中实现界面空穴动态调控的超灵敏分型光电化学免疫测定方法

《Biosensors and Bioelectronics》：Ultrasensitive split-type photoelectrochemical immunoassay with interfacial hole-dynamic regulation via nitrogen-doped carbon hole transport layer in α-Fe2O3/CN/NiFe-LDH ternary photoanode

本研究设计了一种基于三明治异质结构α-Fe?O?/CN/NiFe-LDH的光电化学免疫传感平台，利用CN层高效分离电荷并抑制复合，结合H?O?空穴捕获增强信号。该平台实现CEA检测线性范围0.02-50 ng/mL，检测限7.21 pg/mL，为临床诊断提供新方法。

　　

作者：盛恩泰（Entai Sheng）、徐曼（Man Xu）、老淑群（Shuqun Lao）、何宇（Yu He）、曾永义（Yongyi Zeng）、唐电平（Dianping Tang）、刘小龙（Xiaolong Liu）

食品安全与生物学分析科学国家重点实验室（教育部与福建省共建），福州大学化学系，中国福建省福州市350108

摘要

将空穴传输层（HTL）集成到光敏材料中是一种提高光电化学（PEC）性能的成熟策略，因为它有助于实现高效的载流子分离和定向迁移。本文设计了一种基于三元α-Fe₂O₃/CN/NiFe层状双氢氧化物（LDH）层级结构的创新型PEC免疫传感平台。在该框架中，氮掺杂碳（CN）作为HTL，建立了α-Fe₂O₃核心与NiFe-LDH共催化剂之间的高效电荷传输通道，有效抑制了非辐射复合现象。在特异性识别癌胚抗原（CEA）后，将酶促生成的H₂O₂引入PEC电池中，作为强效的空穴捕获剂，显著增强了光电流信号。所开发的PEC免疫传感器表现出优异的灵敏度和选择性，线性检测范围为0.02?ng?mL^?1至50?ng?mL^?1，检测限低至7.21?pg?mL?1

引言

光电化学（PEC）免疫分析方法在生物分析领域受到了广泛关注，因其具有高灵敏度（Datta等人，2025年；Qin等人，2025a年；Yu等人，2025年）、低背景信号（Xiao等人，2026年）以及易于设备微型化（Wang等人，2024b年）等优点，尤其在检测癌胚抗原（CEA）和心肌肌钙蛋白I（cTnI）等临床相关生物标志物方面展现出巨大潜力。PEC免疫传感器的分析性能主要取决于其光电转换效率（Chen等人，2025年；Li等人，2025年；Wang等人，2026年），这不仅依赖于光生载流子的有效分离，还受到界面电荷转移动力学的影响。然而，电荷利用效率低下和界面反应缓慢仍然是主要瓶颈（Hao等人，2026年），严重限制了检测灵敏度的进一步提高，尤其是在复杂的分析场景中。 为了解决这些问题，人们投入了大量努力来增强电荷分离（Mohammed等人，2026年；Yu等人，2024年），其中构建带对齐的异质结构是最常用的策略之一（Hang等人，2026年；Huang等人，2026年；Peng等人，2026年）。异质界面处的费米能级对齐和带偏移会诱导载流子的自发迁移，并形成内置电场（BIEF），从而促进光生载流子的空间分离。例如，Qin等人采用V元素掺杂策略调节InS/CdS异质结构中的BIEF。通过材料表征和密度泛函理论计算，他们证明这种策略成功增强了光生载流子的分离，最终实现了对生物标志物的敏感检测（Qin等人，2025b年）。尽管取得了这些进展，异质结构的效果主要局限于电荷生成和分离的初始阶段。在PEC免疫分析系统中，电极界面处小分子信号物种的氧化还原动力学往往较慢，导致空穴生成、分离和消耗之间的动力学不匹配。因此，空穴积累和界面非辐射复合不可避免，限制了仅依靠异质结构所能实现的实际信号放大效果。 从这个角度来看，调节异质结构之外的载流子动力学变得至关重要。作为能够选择性提取和快速传输空穴的功能层，空穴传输层（HTL）已在光伏和PEC系统中得到广泛应用，以抑制界面复合并提高电荷利用效率（Kim等人，2025年；Liu等人，2024年；Mahmud等人，2023年）。从机制上讲，HTL提供了连续的空穴传输路径和有利的能级对齐，使得空穴能够持续传输并加速向界面反应位点的转移（Wang等人，2024a年；Xu等人，2025年）。因此，将HTL引入PEC传感系统有望实现空穴动力学的精确调控，并提高弱化学信号转化为PEC响应的转换效率（Ding等人，2025年）。然而，HTL在PEC免疫传感器中的作用及其对信号放大机制的影响尚未得到系统研究。 基于此，设计并构建了一种基于α-Fe₂O₃/CN/NiFe-LDH三元层级结构的超灵敏型PEC免疫传感平台。在本研究中，氮掺杂碳（CN）被用作HTL，通过建立匹配的能带结构，有效驱动来自赤铁矿（α-Fe₂O₃）内部的空穴定向提取。CN层的引入显著抑制了由于α-Fe₂O₃固有的短空穴扩散长度引起的载流子复合损失，同时与NiFe-LDH（NF）共催化剂协同作用，加快了界面电荷转移速率（Huo等人，2023年；Zhang等人，2025年），从而大幅增强了光阳极的响应。通过结合酶联免疫信号放大策略和优越的PEC材料，在单克隆兔抗人CEA捕获抗体（mAb₁）包被的微孔板上开发出一种敏感的CEA检测免疫分析方法（方案1）。具体而言，首先在96孔微孔板上建立三明治型免疫分析方法，使用葡萄糖氧化酶（GOx）修饰的金纳米粒子（AuNP）和多克隆兔抗人CEA检测抗体（pAb₂）（记为：GOx-AuNP-pAb₂）进行信号富集。随后，将葡萄糖酶促生成的H₂O₂转移到PEC检测单元。作为高效空穴捕获剂，H₂O₂可以快速消耗由CN层传输到表面的光生空穴，从而将微弱的生物识别信号转化为显著放大的光电流响应。实验结果和机制分析表明，这种HTL辅助的信号转换机制不仅显著提高了CEA检测的灵敏度，还为设计高性能、稳健的临床诊断平台提供了新思路。

α-Fe₂O₃、氮掺杂碳（CN）和NiFe层状双氢氧化物（NF）层级结构的制备

α-Fe₂O₃光阳极通过两阶段工艺制备，包括水热反应和热退火（Zhao等人，2025年）。首先将FeCl₃·6H₂O和NaNO₃分别溶解在66.66?mL去离子水中，最终浓度分别为0.15?M和1.0?M，然后将其转移到一个100?mL的聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，将FTO电极（导电面朝下）浸入其中。

基于α-Fe₂O₃的光阳极表征

本研究旨在通过引入HTL来提高基底材料的PEC活性，从而构建一种高灵敏度的癌症生物标志物检测平台。为了验证HTL在复合材料中的成功集成，进行了系统的结构表征。使用扫描电子显微镜（SEM）研究了三种光阳极的表面形态和纳米结构特征。

结论

总之，成功开发了一种基于三元α-Fe₂O₃/CN/NiFe-LDH层级结构的超灵敏型PEC传感平台，用于敏感检测CEA。CN作为HTL的集成不仅实现了优化的能带对齐，促进了空穴的定向提取，还显著增强了界面电荷转移动力学。随后对NiFe-LDH共催化剂层的修饰有效提高了空穴的利用效率，并加速了...

CRediT作者贡献声明

盛恩泰（Entai Sheng）：概念构思、数据管理、实验研究、验证、初稿撰写。 徐曼（Man Xu）：数据管理、正式分析、实验研究。 老淑群（Shuqun Lao）：数据管理、正式分析、实验研究、数据可视化。 何宇（Yu He）：方法学设计、项目管理、初稿撰写。 曾永义（Yongyi Zeng）：实验研究、资源协调、软件开发、验证、数据可视化。 唐电平（Dianping Tang）：资金申请、方法学设计、项目管理、监督、审稿与编辑。 刘小龙（Xiaolong Liu）：

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工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：22574023、22274022、21874022）的财政支持。