實現(xiàn)對人IgG和葡萄糖的高靈敏度、特異性檢測對疾病的早期診斷和療效評價具有重要意義，傳統(tǒng)ELISA和PCR等方法雖然靈敏可靠，但操作復雜、成本高，難以滿足現(xiàn)場快速檢測需求。相比之下，比色法因操作簡單、結(jié)果直觀、成本低廉等優(yōu)點，在臨床診斷、食品安全和環(huán)境監(jiān)測等領域廣泛應用?；诶什?比爾定律，光電晶體管通過顯色反應引起的吸光度變化可實現(xiàn)待測分析物的定量檢測。通過調(diào)節(jié)電場和光調(diào)控溝道載流子密度，光電晶體管具備高增益和內(nèi)部信號放大能力，在生物檢測領域表現(xiàn)出巨大應用潛力。鈣鈦礦材料因其高光吸收系數(shù)、可調(diào)節(jié)帶隙和長載流子擴散長度成為理想的光敏層材料。為突破傳統(tǒng)比色生物傳感器靈敏度低和動態(tài)范圍窄等局限性，本研究采用PCBM/MAPbI3異質(zhì)結(jié)構(gòu)建光電晶體管，利用電荷陷阱效應（CTE）實現(xiàn)對微弱光吸收變化的高靈敏度響應。

本研究以提升靈敏度、拓寬動態(tài)范圍、簡化系統(tǒng)為目標，提出采用PCBM/MAPbI3平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。利用MAPbI3作為導電溝道和光敏層，PCBM作為電子受體層和界面鈍化層，二者形成的II型異質(zhì)結(jié)有效促進了激子解離和載流子分離。光生電子被捕獲在PCBM中，空穴在MAPbI?溝道中遷移形成光電流增益。該傳感器在人IgG濃度100 pg/mL至100 μg/mL范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好線性響應，靈敏度高，檢測限低至0.24 pM。與近年文獻報道的多種人IgG傳感器相比，檢測性能顯著提升，可廣泛應用于痕量生物分子檢測領域。

—創(chuàng)新點—

1. 材料與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實現(xiàn)高增益檢測：采用PCBM/MAPbI?異質(zhì)結(jié)構(gòu)建光電晶體管，利用電荷陷阱效應實現(xiàn)內(nèi)部信號放大，顯著提升對微弱比色信號的響應能力。

2. 實現(xiàn)超寬動態(tài)范圍與超低檢測限：傳感器對IgG的檢測限低至0.24 pM，動態(tài)范圍跨越6個數(shù)量級，葡萄糖檢測限達25.1 nM，優(yōu)于多數(shù)現(xiàn)有比色傳感器及其他類型的生物傳感器。

3. 系統(tǒng)簡化與實用性創(chuàng)新：無需復雜光學系統(tǒng)，結(jié)合酶聯(lián)反應與3,3',5,5'-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）顯色體系，實現(xiàn)低成本、便攜式、高特異性檢測。傳感器具備良好的選擇性和可重復使用潛力，適應即時檢測（POCT）應用場景。

—關鍵性成果—

圖1. (a) PCBM-MAPbI?光電晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；(b) SEM圖像；(c) PCBM-MAPbI?光電晶體管能級圖。

圖2. (a) 僅MAPbI3層和(b) PCBM-MAPbI3層的AFM圖像；(c) MAPbI3薄膜在旋涂PCBM前后的XRD譜圖；(d) 僅MAPbI3層和PCBM-MAPbI3層的PL光譜；(e) 僅MAPbI3層和PCBM-MAPbI3層的TRPL光譜；(f) MAPbI3薄膜在旋涂PCBM前后的吸收光譜。

圖3. (a) 人IgG的最終修飾方案；(b) 葡萄糖氧化酶（GOx）最終修飾示意圖；(c) 修飾前石英玻璃襯底的AFM形貌圖；(d) 石英玻璃襯底上抗體完全修飾后的AFM形貌圖；(e) 葡萄糖修飾后的石英玻璃襯底AFM圖像,掃描范圍為2.00 μm × 2.00 μm；石英玻璃襯底表面功能化前后C1s峰(f)和N1s峰(g)的XPS光譜對比。

圖4. (a) 光電晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線；(b) 不同光密度功率下光電晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線；(c) 對不同濃度人IgG的光響應；(d) 通過對數(shù)尺度數(shù)據(jù)進行線性擬合得到的校準曲線（ΔI vs. log [人IgG]）；(e) 對應不同葡萄糖濃度的光響應；(f) 得到的校準曲線（ΔI vs. log[葡萄糖]）。

圖5. 傳感器對目標物和干擾物質(zhì)的電流響應

圖6. (a) 器件在室溫下儲存1天、5天和10天后，對PBS溶液及濃度為1 μg/mL和1 ng/mL的人IgG的光學響應及傳感性能評估；(b) 器件在室溫下儲存1天、5天和10天后，對PBS溶液及濃度為1 μM和1 nM的葡萄糖的光學響應及傳感性能評估。

來源：Xsensors