惡性腫瘤的早期診斷與精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)是臨床醫(yī)學(xué)與基礎(chǔ)研究的核心挑戰(zhàn)。癌胚抗原（CEA）作為結(jié)直腸癌、胃癌及乳腺癌等多種實(shí)體瘤的關(guān)鍵腫瘤標(biāo)志物，其濃度異常升高與腫瘤負(fù)荷及進(jìn)展顯著相關(guān)。實(shí)現(xiàn)CEA的超靈敏檢測(cè)，對(duì)早期篩查、療效評(píng)估及個(gè)體化治療策略制定具有重要臨床價(jià)值。光電化學(xué)（PEC）生物傳感技術(shù)憑借高信噪比（低背景干擾）與單光子級(jí)檢測(cè)靈敏度的優(yōu)勢(shì)，成為新興腫瘤標(biāo)志物分析平臺(tái)。其通過(guò)光能驅(qū)動(dòng)光生載流子產(chǎn)生、分離和轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生穩(wěn)定電化學(xué)信號(hào)。然而，現(xiàn)有PEC技術(shù)面臨三重瓶頸：

1、光電轉(zhuǎn)換效率受限：光電極材料普遍存在載流子復(fù)合率高、能帶結(jié)構(gòu)失配問(wèn)題，導(dǎo)致光生電子-空穴對(duì)分離效率低下；

2、外源供能依賴：需持續(xù)外部偏壓維持電荷定向遷移，阻礙設(shè)備便攜化與植入式應(yīng)用；

3、長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足：光照下材料光腐蝕及生物污染引發(fā)信號(hào)衰減，制約臨床環(huán)境可靠性。

發(fā)展兼具高效光能轉(zhuǎn)化、自驅(qū)動(dòng)特性及生物環(huán)境穩(wěn)定性的PEC傳感平臺(tái)，是突破當(dāng)前技術(shù)壁壘的關(guān)鍵路徑。

近日，暨南大學(xué)游道通副教授提出了一種融合缺陷調(diào)控、異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑、鐵電極化調(diào)控的三重協(xié)同策略，成功構(gòu)建了BiVO4/Bi0.95Nd0.05FeO3（BVO/BNFO）半導(dǎo)體-鐵電異質(zhì)結(jié)光電極。通過(guò)Nd3+摻雜，有效抑制了Fe3+/Fe2+價(jià)態(tài)波動(dòng)及氧空位的形成，顯著提升了材料的鐵電性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該異質(zhì)結(jié)在無(wú)外加偏壓條件下展現(xiàn)出優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換能力。進(jìn)一步通過(guò)外加電場(chǎng)調(diào)控鐵電極化方向，從而調(diào)控界面能帶結(jié)構(gòu)與光生電荷的分離-遷移行為，實(shí)現(xiàn)了光電流密度超過(guò)200%的提升，并在長(zhǎng)時(shí)光照下保持優(yōu)異的穩(wěn)定性。基于該策略構(gòu)建的自供能PEC生物傳感器，展現(xiàn)出超寬線性檢測(cè)范圍（1 pg/mL–0.1 mg/mL）與極低檢測(cè)限（1.91 pg/mL），為高選擇性、高穩(wěn)定性的CEA檢測(cè)提供了新方案，也為鐵電材料在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了全新方向。相關(guān)成果以“Ferroelectric polarization modulation self-powered photoelectrochemical biosensor for sensitive CEA detection based on semiconductor-ferroelectric heterojunction”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上，該工作的第一作者是廈門大學(xué)在讀博士生劉磊和游道通副教授。

該工作的核心亮點(diǎn)如下：

(1) 半導(dǎo)體-鐵電異質(zhì)結(jié)光電極的構(gòu)建與性能突破

通過(guò)溶膠-凝膠法、旋涂法及高溫?zé)崽幚順?gòu)建Nd3?摻雜BiFeO?鐵電薄膜（Bi0.95Nd0.05FeO3, BNFO），并與BiVO4（BVO）形成獨(dú)特的半導(dǎo)體-鐵電異質(zhì)結(jié)光電極。利用BNFO鐵電材料的自發(fā)極化可在內(nèi)部和界面形成強(qiáng)電場(chǎng)，，顯著提升光生載流子分離效率，抑制復(fù)合。該BVO/BNFO異質(zhì)結(jié)的光電流密度較純BVO和未摻雜的BVO/BFO分別提高13.15倍和2.23倍。

(2)鐵電極化動(dòng)態(tài)調(diào)控界面能帶與電荷傳輸

外電場(chǎng)調(diào)控鐵電極化方向可優(yōu)化異質(zhì)結(jié)界面能帶彎曲及載流子輸運(yùn)路徑。在正極化狀態(tài)下，BVO/BNFO的光電流密度較未極化/負(fù)極化狀態(tài)分別提升203.9%和288.9%，且在持續(xù)光照下保持優(yōu)異穩(wěn)定性（性能增長(zhǎng)了117.35%/10000 s）。

(3)設(shè)計(jì)的PEC生物傳感器可以自供電模式工作

BVO/BNFO半導(dǎo)體-鐵電異質(zhì)結(jié)中形成的內(nèi)建電場(chǎng)和鐵電極化誘導(dǎo)電場(chǎng)，可以在無(wú)需氧化還原介質(zhì)或外部電壓的情況下提供非常強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)增強(qiáng)光載流子分離，這可以有效消除氧化/還原物質(zhì)的干擾，并將對(duì)光電極上生物分子的損害降至最低。

(4)A位摻雜策略調(diào)制鐵電性能

稀土Nd3+摻雜可以有效抑制氧空位與Fe價(jià)態(tài)波動(dòng)，從而提升了BiFeO3材料的鐵電穩(wěn)定性和極化性能，將Bi0.95Nd0.05FeO3薄膜的剩余極化強(qiáng)度提升至17.12 μC cm-2，是BiFeO3(6.27 μC cm-2)的2.73倍。

(5) 超高靈敏度CEA檢測(cè)與臨床驗(yàn)證

自供電PEC傳感器對(duì)CEA的檢測(cè)限低至1.91 pg/mL，線性范圍橫跨5個(gè)數(shù)量級(jí)（1 pg/mL–0.1 mg/mL）。在人血清樣本中表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性（干擾物響應(yīng)<3%）與重現(xiàn)性（RSD=3.13%），在CEA的臨床診斷中具有良好的應(yīng)用前景。

圖1.BVO/BNFO半導(dǎo)體-鐵電異質(zhì)結(jié)及其CEA檢測(cè)傳感器的構(gòu)建和傳感機(jī)理示意圖

圖2.BVO、BVO/BFO及BVO/BNFO光電極的形貌表征

圖3.BVO、BVO/BFO及BVO/BNFO光電極的晶體結(jié)構(gòu)、組分與光學(xué)性能研究

圖4.Nd3+摻雜對(duì)BFO鐵電性能的調(diào)控效應(yīng)分析

圖5.BVO、BVO/BFO及BVO/BNFO光電極的PEC性能及極化調(diào)控機(jī)制分析

圖6.BVO/BNFO光電極對(duì)CEA的PEC檢測(cè)性能分析

【總結(jié)與展望】

鐵電極化調(diào)控的自供電PEC傳感技術(shù)通過(guò)極化電場(chǎng)優(yōu)化電荷分離、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光響應(yīng)及抗干擾界面設(shè)計(jì)，顯著提升了腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)的靈敏度與便捷性。未來(lái)需進(jìn)一步推動(dòng)設(shè)備便攜化及AI輔助診斷的臨床轉(zhuǎn)化，為癌癥早期篩查提供突破性工具。

原文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162157 來(lái)源：課題組供稿