综述：用于肿瘤标志物分析的光电化学适配体传感器：从工程化的光敏材料到传感模式

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Photoelectrochemical aptasensors for tumor markers analysis: from engineered photoactive materials to sensing modes

　　

作者：张思（Si Zhang）、黄志涵（Zihan Huang）、孙佳慧（Jiahui Sun）、Ju黄贤（Huangxian Ju）

单位：中国南京大学化学学院生命科学分析化学国家重点实验室，南京 210023

摘要

开发高度敏感和准确的分析方法来检测肿瘤标志物可以提高癌症患者成功治愈的可能性并提高其生活质量。光电化学（PEC）适配体传感器因其优势（包括低背景信号、操作简便、成本低和高灵敏度）而成为疾病早期诊断的理想分析工具。在PEC生物传感中，电极上的光活性材料在将光信号转换为电信号方面起着核心作用，这对分析灵敏度有很大影响。因此，选择合适的光活性材料对于构建PEC适配体传感器至关重要，但这仍然面临相当大的挑战。本综述全面概述了用于构建PEC适配体的光活性材料的最新进展，强调了通过合理设计光学、电子和表面性能来显著提高PEC适配体传感性能的策略。文中还对PEC适配体传感器用于肿瘤标志物检测的传感模式及相关信号放大策略进行了分类，并介绍了机器学习辅助的PEC适配体传感器在检测肿瘤标志物方面的最新研究进展。最后，提出了PEC适配体传感目前面临的挑战及未来发展方向。

引言

自1839年埃德蒙·贝克勒尔（Edmond Becquerel）发现光电效应以来[1]，[2]，光电化学（PEC）已广泛应用于光伏、光催化和PEC传感等多个领域[3]，[4]，[5]。PEC过程涉及将光能转换为电能，以及通过光敏材料在光照下的电荷分离和转移实现电能与化学能之间的相互转换[6]，[7]。PEC生物传感是一种结合了光电效应原理与电化学分析的技术[8]，[9]，[10]。它利用光作为激发源，在分析物、光活性材料和电极之间发生一系列电荷转移过程，最终产生可通过电化学仪器检测到的光电流信号[11]，[12]，[13]。激发源与检测信号之间的分离使得PEC传感具有高灵敏度和低背景噪声。此外，由于使用电化学仪器输出信号，PEC传感技术继承了传统电化学检测方法的重要优势，如低成本、操作简单、响应快速和易于微型化[14]，[15]，[16]。随着生活水平的不断提高，早期癌症诊断、食品安全和环境监测等问题受到了越来越多的关注。由于适配体作为PEC生物传感中常用的识别元件具有高亲和力、高特异性、高灵敏度以及在靶标结合时发生二级结构变化等特性，PEC适配体传感器已成为检测肿瘤生物标志物的有前景的方法[17]，[18]，[19]，[20]。

PEC适配体的检测信号主要来源于光活性材料的光电转换过程[21]，[22]。因此，合理设计光活性材料并调控光电电极内的电荷分离和转移是实现高性能PEC传感的重要步骤[23]，[24]。得益于材料科学和纳米技术的进步，已经开发出了许多用于PEC传感的光活性材料[25]，[26]，[27]，[28]。然而，大多数单一光活性材料受到其光吸收效率和电荷分离动力学的限制，导致PEC性能不佳[29]，[30]。因此，开发具有合适带隙结构、高导电性以实现快速电荷转移以及快速表面反应动力学的光活性材料至关重要。近年来，采取了多种策略来提高PEC适配体的光电转换效率，从而提高其检测灵敏度[31]，[32]，[33]，[34]。

尽管已经发表了几篇关于PEC生物传感器的综述[35]，[36]，[37]，[38]，[39]，但很少有研究关注通过调节光活性材料的光电转换效率来提高PEC适配体的传感性能。本综述重点介绍了调节光活性材料以改善PEC生物传感性能的最新研究进展，特别强调了提高其光电性能的原理和策略（图1）。首先，基于PEC适配体的基本原理，全面介绍了无机和有机半导体材料等光活性材料的发展情况。随后讨论了提高PEC性能和增强传感灵敏度的几种策略，包括掺杂和缺陷工程、形态控制以及异质结构构建。接着总结了调节PEC传感模式及相关信号放大策略的最新进展。传感模式主要分为信号关闭模式、信号开启模式、光电流极性切换模式和比率模式。此外，还讨论了机器学习辅助的PEC适配体传感器在检测肿瘤标志物方面的研究进展。最后，概述了提高PEC性能的挑战和未来发展方向，为致力于推进下一代PEC传感技术的研究人员和实践者提供了宝贵的见解。

部分摘录

PEC传感系统的原理

公认的PEC机制包括三个步骤（图2）：（i）当光活性材料受到超过其带隙能量的光照时，光子被吸收，导致基态电子从价带（VB）跃迁到导带（CB），生成电子-空穴对；（ii）电子-空穴对被分离并传输到光活性材料表面，在此过程中光生电荷载流子可能重新结合而失去

光活性材料

光活性材料作为PEC适配体的关键组成部分，直接影响分析性能[40]。根据组成，光活性材料大致可分为两类：无机半导体材料和有机半导体材料。具体而言，无机半导体材料进一步分为三类：量子点（QDs）、金属氧化物、碳纳米材料和贵金属纳米粒子。有机半导体材料则是

光活性材料的改性策略

作为PEC传感的核心组成部分，光活性材料的光电转换效率与其产生的电荷载流子的生成、迁移和氧化还原能力密切相关。因此，具有高光电转换效率的光活性材料在提高PEC生物传感器的分析性能方面起着关键作用。尽管已经报道了一些单一组分的光活性材料，但它们存在带隙宽等固有局限性

PEC适配体的传感模式

肿瘤标志物是与肿瘤相关或由肿瘤产生的物质，可用于恶性肿瘤的早期诊断[38]，[194]。它们为全面了解癌症提供了有价值且动态的方法，在筛查、诊断和预后中发挥着不可或缺的作用。由于适配体对肿瘤标志物具有优异的亲和力和特异性，PEC适配体在肿瘤标志物检测方面展现出巨大潜力[195]，[196]。基于

机器学习

近年来，机器学习在处理复杂数据集和从大量多维检测数据中提取有价值信息方面展现了卓越的能力。它已成为众多研究领域中各种应用中高效且不可或缺的工具[236]。通过不断迭代和修改机器学习模型数据，在物理学、化学、生物学和材料科学等领域取得了显著进展

结论与展望

由于高灵敏度、低背景信号和快速响应，PEC适配体已成为检测肿瘤生物标志物的极具前景的方法。特别是纳米材料和纳米技术的快速发展对PEC适配体的进步起到了关键作用。迄今为止，已经使用了多种半导体纳米材料来构建PEC适配体。表1总结了基于光活性材料的PEC适配体在肿瘤检测方面的性能

CRediT作者贡献声明

张思（Si Zhang）：撰写——初稿，概念构思。黄志涵（Zihan Huang）：验证。孙佳慧（Jiahui Sun）：数据整理。Ju黄贤（Huangxian Ju）：撰写——审稿与编辑，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（21827812, 21890741）的财政支持。

张思（Si Zhang）于2018年获得中原科技学院的化学学士学位，2021年获得河南大学的分析化学硕士学位。目前，她在中国南京大学化学学院Ju黄贤教授的课题组进行研究。她的研究兴趣集中在光活性材料和光电化学适配体上。