光電化學生物傳感器研究

任 偉, 李 靜

(1. 吉林建筑大學， 吉林 長春 130118；2. 吉林大學電子科學與工程學院 集成光電子學國家重點實驗室， 吉林 長春 130012)

1 引 言

隨著社會的迅速發(fā)展，人類的健康問題也越來越受到關注。2018年6月6日世界衛(wèi)生組織(WHO)發(fā)布了《2018世界衛(wèi)生統(tǒng)計報告》(World Health Statistic 2018)，其中，在由于非傳染性疾病導致死亡的案例中，惡性腫瘤以27%的比例成為最主要致死的病因。近年來，惡性腫瘤儼然已經(jīng)成為威脅全民健康的頭號殺手。然而，癌癥并不等于死亡，治療癌癥的關鍵就在于發(fā)現(xiàn)早期腫瘤，主要途徑有兩個：一是通過早期腫瘤標志物的異常檢測；二是找到合適的快速準確檢測方法[1-4]。與此同時，光電化學生物傳感器迅速興起，并因其獨特的優(yōu)點成為一種備受矚目的新型生物傳感器[5-7]。光電化學生物傳感器的出現(xiàn)，更能夠?qū)崿F(xiàn)將不能直接觀察的早期腫瘤標志物的異常變化通過可見信號展現(xiàn)在計算機上，從而實現(xiàn)有效監(jiān)測甚至診斷早期癌癥的可能[8]。

1962年，英國科學家Clark等[9]提出將生物分子和傳感器結(jié)合的設想，為生命科學研究開辟了新的道路。到二十世紀七十年代時，多種類型的生物傳感器被研發(fā)出來，更引起了各個領域科學家的重視，使得生物傳感器成為現(xiàn)代生物技術中的重要研究領域之一[8,10-11]。本文將主要介紹光電化學生物傳感器。

2 光電化學生物傳感器的概念及基本原理

2.1 光電化學生物傳感器的概念

光電化學(PEC)過程是指在光的作用下，分子、離子以及半導體材料因吸收光子而使電子被激發(fā)而產(chǎn)生電荷傳遞的過程，同時實現(xiàn)了將光能轉(zhuǎn)化為電能。光電化學生物傳感器就是將光電化學與生物傳感相結(jié)合，利用光電化學活性材料的轉(zhuǎn)換特性而新興的一種檢測技術[12-13]。光電化學生物傳感器定量檢測早期腫瘤標志物，就是通過生物識別過程前后所產(chǎn)生的光電流或光電壓的變化與待測標志物濃度之間的線性關系實現(xiàn)的。而光電化學檢測實際上就是電化學發(fā)光檢測的逆過程，光被作為激發(fā)源來激發(fā)光電化學活性材料產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，隨之產(chǎn)生的電信號用來作為檢測信號[1-4,14]。

2.2 光電化學生物傳感器的基本原理

光電化學生物傳感器的基本檢測裝置及原理如圖1所示[7]。檢測裝置使用傳統(tǒng)三電極系統(tǒng)，包括一個工作電極(WE)、一個對電極(CE)和一個參比電極(RE)，三電極系統(tǒng)工作在合適的電解質(zhì)溶液中[13]。通常，光電化學生物傳感器的工作原理是：利用合適波長的光源照射激發(fā)修飾在生物傳感器電極表面的光電化學活性材料，而當電極表面的目標識別元件同待測標志物結(jié)合后，發(fā)生新的氧化或還原反應，引起電荷的轉(zhuǎn)移和電子的傳輸，從而形成光電流或光電壓[12]。生物響應通過可見信號的形式呈現(xiàn)在計算機上，并且光電化學生物傳感器檢測的響應信號與待測標志物的濃度變化存在一定的函數(shù)關系[4-5,7]。因此，利用光電化學生物傳感器檢測信號的變化，我們可以預估計算目前標志物的濃度，從而實現(xiàn)對標志物的定量檢測，這就是光電化學生物傳感器的基本工作原理。

光電化學活性材料在被光激發(fā)時，吸收了大于其本身禁帶寬度的能力，被激發(fā)產(chǎn)生的電子在光電化學活性材料內(nèi)部的導帶與價帶之間轉(zhuǎn)移，從而形成光生電子-空穴對[5]。具體的電子轉(zhuǎn)移可以分為兩種情況：(1)當修飾在光電化學生物傳感器電極上的光電化學活性材料為n型半導體材料時，材料導帶上的電子會轉(zhuǎn)移到導電襯底上，電解質(zhì)提供電子填充價帶上產(chǎn)生的空穴，而光電化學生物傳感器產(chǎn)生陽極光電流，如圖2(a)所示；(2)當修飾在光電化學生物傳感器電極上的光電化學活性材料為p型半導體材料時，材料導帶上的電子會轉(zhuǎn)移到電解質(zhì)溶液中，導電襯底提供電子填充價帶上產(chǎn)生的空穴，而光電化學生物傳感器產(chǎn)生陰極光電流，如圖2(b)所示。目前，大多數(shù)光電化學生物傳感器能夠產(chǎn)生可見信號都是基于這一原理。

圖1 光電化學生物傳感器的基本檢測裝置及原理圖

圖2 (a)陽極光電流；(b)陰極光電流產(chǎn)生時發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的原理圖。

3 光電化學生物傳感器的分類及應用

光電化學生物傳感器根據(jù)得到響應信號的不同，主要分為兩類：電位型光電化學生物傳感器和電流型光電化學生物傳感器[10-11]。目前，電位型光電化學生物傳感器已經(jīng)被廣泛應用在了各種生物領域，例如DNA、細胞、酶等。而電流型光電化學生物傳感器近年來才剛興起，但已經(jīng)在酶傳感器和免疫傳感器上快速發(fā)展并成為主要的研究方向，本文將主要介紹電流型光電化學生物傳感器的分類及應用。

對于電流型光電化學生物傳感器，我們根據(jù)其電極是否修飾具有信號放大作用的標記物又將其分為無標記型光電化學生物傳感器和有標記型光電化學生物傳感器[4,5,7-8,10-13]。它們的區(qū)別在于是否修飾具有信號放大作用的標志物。如果電極修飾有信號放大作用的標志物，那測得的響應信號會得到進一步放大，更有利于下一步的檢測和觀察。與此同時，修飾具有信號放大作用標志物的有標記型光電化學生物傳感器對于檢測早期腫瘤標志物具有更高的靈敏度[5]。

3.1 無標記型光電化學生物傳感器

無標記型光電化學生物傳感器是將光電化學活性材料直接修飾在電極表面，不再修飾其他活性材料，直接測定抗原-抗體特異性結(jié)合時產(chǎn)生的信號變化。這種測試方法制備電極簡便，因此，成為了免疫傳感器的重要研究方向[4]。

Yang等[15]制備了新型的NPC-ZnO納米聚合多面體型光電化學活性材料，將其修飾在ITO導電玻璃上作為電極，用來檢測堿性磷酸酶，制備原理如圖3所示。制備出的NPC-ZnO納米聚合多面體是菱形十二面體形貌，粒徑約為100 nm，比表面積為609.2 m2·g-1。在可見光照射下，NPC-ZnO納米聚合多面體在抗壞血酸的水溶液中表現(xiàn)出比ZnO納米棒和ZIF-8納米多面體更好的光電化學性能。在最佳檢測條件下，這種基于NPC-ZnO納米多面體的光電化學生物傳感器，其線性范圍為2～1 500 U/L ，最低檢測限為1.7 U/L。此外，這種光電化學生物傳感器具有理想的選擇性、重復性和穩(wěn)定性，在光電化學分析重金屬離子、有機污染物和生物分子方面也具有廣闊的應用前景。

Chen等[16]采用膠體自組裝、氣相沉積和脈沖激光沉積等先進技術制備出新型高質(zhì)量ZnO IOPC/Ag/NaYF4∶Yb，Tm復合薄膜，用于檢測甲胎蛋白。在該復合薄膜材料中，ZnO反蛋白石和銀的表面等離子體共振反應能很大程度上增強NaYF4∶Yb，Tm的局域激發(fā)電磁場，從而產(chǎn)生高效的近紅外/可見/紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光(UCL)[17]。NaYF4∶Yb，Tm激發(fā)產(chǎn)生的紫外光進一步被ZnO反蛋白石結(jié)構吸收，產(chǎn)生光電化學響應，該光電化學生物傳感器的基本制備和檢測原理如圖4所示。此外，由于ZnO反蛋白石結(jié)構具有更高的比表面積以及銀膜的電導率良好，該傳感器顯示出了對甲胎蛋白的超靈敏檢測，線性范圍為0.05～100 ng·mL-1，最低檢測限為40 pg·mL-1。這種光電化學生物傳感器對于其他癌癥標志物的檢測也具有著臨床與生物學分析應用前景。

圖3 (a)NPC-ZnO納米多面體的制備原理圖；(b)以NPC-ZnO納米多面體型材料制備的光電化學生物傳感器檢測堿性磷酸酶。

Fig.3 (a) Schematic diagram for the preparation of NPC-ZnO nanopolyhedra. (b) Mechanism of nPC-ZnO nanopolyhedra-based photoelectrochemical biosensor for alkaline phosphatase(ALP) assay.

Han等[18]設計了一種基于摻雜Ce的CdS納米粒修飾石墨烯/BiYWO6光電化學活性材料，與純的BiYWO6、石墨烯/BiYWO6、和BiYWO6/Ce∶CdS相比，這種新穎的材料更能夠增強光電化學強度，制備過程示意圖如圖6所示。另外，抗壞血酸(AA)能夠作為電子供體且無毒高效。Ce的摻雜提高了CdS的可見光吸收范圍，促進電荷轉(zhuǎn)移，增強電流響應，同時抑制電子-空穴復合。而且，由于石墨烯具有良好的電子收集和穿透特征，能夠進一步促進載流子的分離和轉(zhuǎn)移。在最佳條件下，這個光電化學生物傳感器對于四環(huán)素的檢測限能夠達到0.01 ng/mL，同時具有良好的可重復性、選擇性和穩(wěn)定性。

無標記型光電化學生物傳感器制備的關鍵就在于制備出具有良好性能的光電化學活性材料，最好選用無毒、易制備、低成本的材料。

圖4 (a)用ZnO/Ag/NaYF4∶Yb，Tm電極檢測AFP的原理圖;(b)980 nm光激發(fā)下光電化學免疫分析原理示意圖。

Fig. 4 (a) Schematic illustration of the fabrication of ZnO/Ag/NaYF4∶Yb,Tm electrodes for AFP detection. (b) Schematic illustration for principles of the photoelectrochemical immunoassay under 980 nm light excitation.

圖5 無標記型光電化學生物傳感器的構建過程

3.2 有標記型光電化學生物傳感器

有標記型光電化學生物傳感器是在無標記型光電化學生物傳感器的基礎上，對檢測前的待測物進行信號放大元件標記物修飾，也可以通過檢測信號放大元件標記物的變化來監(jiān)控免疫過程。

Wang等[14]以WO3/CdS/PDA納米復合材料作為光電化學活性材料，制備出了雙抗體結(jié)構的免疫傳感器，如圖6所示。其中，PDA@carbon納米管就是這個標記型光電化學生物傳感器的信號放大標記物，同時WO3/CdS/PDA復合結(jié)構也增強了光電流響應。這種夾層型光電化學生物傳感器有良好的線性關系，在最佳條件下，檢測濃度范圍達到0.01～50 ng·mL-1，最低檢測限是2.8 pg·mL-1。該傳感器具有良好的特異性、可重復性和穩(wěn)定性，有望在胰島素或其他生物標志物的臨床診斷中得到應用。

圖6 夾層型光電化學生物傳感器的制備原理圖

Chen等[19]以純CdSe量子點作為光電化學活性材料，將其修飾在電極表面，制備了層層型光電化學生物傳感器用于檢測α-AFP，制備過程如圖7所示。其中，鏈霉親和素(SA)作為信號捕捉單元，生物素功能化的去鐵蛋白包覆抗壞血酸(Bio-APOAA)作為信號放大標志物，組裝在電極上。該傳感器是基于Bio-APOAA的原位酶釋放出抗壞血酸(AA)作為電子供體而產(chǎn)生光電流的原理實現(xiàn)檢測甲胎蛋白。傳感器對α-AFP的檢測具有較高的選擇性和較好的靈敏度。在最佳條件下，線性范圍為0.001～1 000 ng/mL，最低檢測限為0.31 pg/mL。該免疫傳感器有望用于臨床實驗室檢測人血漿中AFP和其他腫瘤標志物，用于癌前篩查或癌癥監(jiān)測。

圖7 (a)用CdSe量子點制備光電化學生物傳感器檢測甲胎蛋白;(b)電子轉(zhuǎn)移機制。

Fig.7 (a) Photoelectrochemical biosensor for α-AFP detection based on CdSe. (b) Electron transfer mechanism.

Wang等[20]構建了一種檢測前列腺特異性抗原(PSA)的超靈敏夾心型光電化學免疫生物傳感器，構建過程如圖8所示。將金納米粒(Au)負載到海膽狀的WO3表面作為光電化學活性材料，再將Ca粒子摻雜到CdSe上，同時與還原氧化石墨烯(rGO)結(jié)合，作為信號放大探針。在這個光電化學生物傳感器中，Au納米粒能夠與抗體的—NH2化學鍵結(jié)合，固定住更多的抗體，同時加入rGO和Ca粒子可以有效提高CdSe納米粒子的導電性，抑制電子-空穴的復合，從而提高光電流轉(zhuǎn)換效率。構建過程中，將抗體固定在WO3-Au涂層的基底上，經(jīng)特異性抗體-抗原相互作用將制備的rGO-Ca∶CdSe標記物捕獲固定在電極表面，利用敏化作用進一步增強光電流強度。在最佳檢測條件下，制備的這種光電化學免疫生物傳感器檢測到的光電流變化與PSA濃度的對數(shù)呈線性關系，檢測范圍為5 pg/mL～50 ng/mL,最低檢測限為2.6 pg/mL(S/N=3)。此外，它還具有良好的穩(wěn)定性和特異性，表明這種光電化學免疫生物傳感器在臨床診斷中具有應用潛力。

圖8 光電化學夾心型免疫生物傳感器的構建過程

4 光電化學生物傳感器發(fā)展展望

癌癥發(fā)病率的升高所導致的死亡率的增高，對于生命安全造成莫大威脅，因此，癌癥的早期檢測對于及時發(fā)現(xiàn)病癥并作出合理治療起著非常重要的作用[18,21]。而光電化學生物傳感器這種新興的檢測技術，因其檢測背景低使得它具有非常低的檢測下限，因此光電化學生物傳感器優(yōu)于傳統(tǒng)的電化學傳感器、光學傳感器以及酶傳感器等[1,20,22-25]。再加上光電化學生物傳感器的設備操作簡單，成本相對較低，因此可以繼續(xù)研究應用到早期癌癥的檢測診斷，甚至可以設計便攜式儀器更方便檢測。因此，尋找更多適合于光電化學生物分析的光催化材料，探索具有更高外量子效率的材料，從而提高光電化學生物傳感器的靈敏度[5]。此外，應該更詳細地研究和設計光電化學生物傳感器中的納米生物界面，開發(fā)出更簡單的生物分子固定方法，使光電化學生物傳感器具有長期穩(wěn)定性和優(yōu)越性，以便實現(xiàn)光電化學生物傳感器的商業(yè)化應用[5,7,26]。