综述：基于异质结的免疫传感技术：构建策略、信号调控及超微量生物标志物检测

《Chemical Engineering Journal》：Heterojunction-based immunosensing: Construction strategies, signal regulation and ultra-trace biomarker detection

异质结材料在免疫传感中的应用研究，重点阐述其构建策略、检测原理及多模式信号输出机制，包括光电化学、荧光、比色等信号模式，为超灵敏生物标志物检测提供技术支撑。

　　

袁子怡|张远科|景婷玉|凌桂霞|张鹏

沈阳药科大学吴雅创新学院，中国沈阳市文华路103号，110016

摘要

超微量生物标志物的精确检测是疾病早期诊断和实时监测的核心挑战。免疫传感技术凭借其高灵敏度的独特优势，已成为应对这一挑战的前沿方向。其中，异质结材料凭借优异的光电转换效率和可调的带结构，成为构建高性能异质结免疫传感平台的多功能材料基础，这些平台具有多种信号输出方式。本文系统阐述了基于异质结的免疫传感平台的构建策略，重点介绍了在“夹心”免疫结构中各种功能探针（如纳米颗粒、天然酶、异质结直接修饰和纳米酶异质结协同探针）的设计与应用。文章深入探讨了其检测原理，包括信号抑制、信号放大和竞争性免疫响应等关键机制。此外，还总结了这类平台在多模式信号输出系统（包括光电流、比色法、荧光和光热信号）方面的最新进展，展示了其在超微量生物标志物（如肿瘤标志物和传染病抗原）检测中的巨大潜力。最后，本文总结了该领域目前面临的挑战，并展望了未来的发展方向，旨在为下一代高灵敏度和高特异性生物传感技术的发展提供理论参考和技术思路。

引言

疾病的早期准确诊断和治疗效果的实时监测对于降低死亡率及改善患者预后至关重要。实现这一目标在很大程度上依赖于对超微量生物标志物（如肿瘤标志物、传染病抗原和核酸片段）具有高灵敏度和特异性的检测技术。传统的检测方法（如酶联免疫吸附测定[ELISA] [1]、[2]、[3]、放射免疫测定[4] [5]）虽然在临床应用中占有一席之地，但通常存在检测限高、操作繁琐、耗时较长或存在辐射风险等缺点，难以满足超微量生物标志物的精确检测需求[6]、[7]。

免疫传感平台已成为人类疾病早期诊断和实时监测的关键技术，在临床诊断、食品安全和环境监测领域得到了广泛应用。近年来，基于功能性纳米材料（如磁性纳米颗粒[8]、纳米体）的免疫传感器和适配体传感器的开发取得了显著进展，可用于检测从食品污染物[9]到临床疾病标志物（如心肌肌钙蛋白I[10]）等多种生物标志物。这些基础性综述系统总结了这类传感平台的设计策略、信号放大机制和实际应用[11]，为构建下一代高性能异质结免疫传感系统奠定了坚实基础。

免疫传感技术结合了抗原-抗体特异性识别与信号转换技术，实现了目标生物标志物的精确捕获和定量分析[12]，为超微量检测提供了有效解决方案。其中，光电化学（PEC）免疫传感技术结合了光学技术的高灵敏度和电化学检测的简便性，因其低背景信号、高信噪比以及易于微型化的优点而受到广泛关注[13]、[14]。

作为免疫传感平台的核心，光活性材料的性能直接决定了传感器的检测限和稳定性。在众多光活性材料中，异质结材料因其独特的带结构调控能力、高效的光生载流子分离效率以及优异的光电转换性能[15]、[16]、[17]，成为构建高性能免疫传感平台的理想选择。

近年来，基于异质结材料的免疫传感平台在超微量生物标志物的检测方面取得了显著进展。其核心优势在于将异质结的光电特性与免疫识别的特异性相结合。通过设计多种免疫结构和信号调控机制，这些平台实现了检测灵敏度和特异性的协同提升。然而，目前仍缺乏系统探讨基于异质结的免疫传感平台的构建策略、功能探针设计及多模式信号输出机制的综合性综述。如图1所示，本文重点介绍了基于异质结的免疫传感平台的核心技术方面，强调了其在不同信号输出方式下的多功能性。首先详细阐述了免疫传感平台的构建策略，特别关注抗体的固定以及各种功能探针在夹心免疫结构中的设计和应用。随后深入探讨了信号抑制、信号放大和竞争性免疫响应等关键检测原理。此外，还总结了该平台在多模式信号输出（包括基于光电流的光电化学（PEC）、荧光（FL）、比色法（COL）、表面增强拉曼散射（SERS）、光热（PT）和电化学发光（ECL）方法）中的应用情况，展示了其在超微量生物标志物检测中的实际价值。最后，总结了该领域目前面临的主要挑战，为高性能生物传感技术的发展提供了理论参考和技术支持。（见表1、表2。）

部分内容摘要

免疫传感平台的构建

作为先进的生物分析工具，免疫传感器的根本优势在于其创新性地整合了生物识别和物理化学信号转导模块。它通过抗原和抗体之间的高度特异性分子识别锁定目标物质，并利用精确的信号转换机制将这种生物结合事件转化为可量化的电信号、荧光信号或比色信号，从而实现高灵敏度的检测

光吸收效率

特定的抗原-抗体结合形成的免疫复合物会物理覆盖异质结材料的表面，形成一层光屏蔽层，阻止入射光到达异质结的活性区域，从而降低材料的吸光效率。例如，在朱某的研究报告中，ALP催化了5-溴-4-氯-3-吲哚-3-磷酸（BCIP）底物的沉淀形成，并将其沉积在聚吡咯@铋钨酸盐上

电流信号

电流信号检测是基于异质结的免疫传感平台最常见的应用模式，通过测量光电流或电化学电流的变化来定量分析目标抗原。在光电流信号检测中，异质结在光照下产生光生载流子，目标抗原的特异性结合调节了载流子的分离和传输效率，从而导致光电流的变化

结论与展望

基于异质结的免疫传感平台凭借其独特的光电转换性能和免疫识别的特异性，在超微量生物标志物检测领域展现了巨大潜力，为疾病的早期诊断提供了强有力的技术支持。其核心优势源于异质结材料可控的带结构和高光电转换效率。通过信号抑制、信号放大等多种机制

CRediT作者贡献声明

袁子怡：撰写初稿、正式分析、数据整理、概念构建。张远科：撰写初稿、正式分析、数据整理、概念构建。景婷玉：撰写与编辑。凌桂霞：撰写与编辑。张鹏：撰写与编辑。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。