用于乳腺癌標(biāo)志物檢測(cè)的自供電光電化學(xué)傳感器

文章編號(hào)：1671-3559（2024）06-0787-12DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20241008.001

摘要： 為了檢測(cè)人表皮生長(zhǎng)因子受體2，構(gòu)建一種新型的自供電光電化學(xué)傳感器；以銦鋅硫化物、 銦鎂硫化物、 鈉離子、 鉀離子摻雜的亞甲基藍(lán)（MB）敏化的碳化氮復(fù)合物ZnIn2S4/MgIn2S4/NaKC3N4-MB作為光電陽(yáng)極，金屬炔基聚合物苯基乙烯基銅（PPhECu）納米棒作為光電陰極，采用X射線衍射、 掃描電子顯微鏡、 透射電子顯微鏡對(duì)復(fù)合物進(jìn)行表征，并進(jìn)行光電化學(xué)檢測(cè)。結(jié)果表明： 光活性ZnIn2S4/MgIn2S4/NaKC3N4-MB光電陽(yáng)極中異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成加速了光生電子的轉(zhuǎn)移，使其具有優(yōu)異的光電性能，能夠作為對(duì)電極為傳感系統(tǒng)提供電子； 集成的光電陽(yáng)極和光電陰極的自供電光電化學(xué)檢測(cè)模式可消除生物樣品中還原性物質(zhì)的干擾，顯著提高光電化學(xué)傳感器的抗干擾能力及檢測(cè)靈敏度，檢測(cè)質(zhì)量濃度范圍為5×10-5～200 mg/L，檢測(cè)限為0.015 6 ng/L。

關(guān)鍵詞： 光電化學(xué)； 自供電傳感器； 光電陽(yáng)極； 光電陰極； 光生電子

中圖分類號(hào)： O69

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Self-powered Photoelectrochemical Sensors for

Detection of Breast Cancer Marker

LU Peng1， GUO Qingfang2， WANG Xue3， LYU Dong1， CHEN Jingui3，

ZHANG Nuo3， LENG Dongquan3， WEI Qin3

（1. Jinan Food and Drug Inspection and Testing Center， Jinan 250102， Shandong， China;

2. Department of Resources and Environment， Shandong Water Conservancy Vocational College， Rizhao 276826， Shandong， China;

3. School of Chemistry and Chemical Engineering， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China）

Abstract： To detect human epidermal growth factor receptor 2（HER2）， a novel self-powered photoelectrochemical （PEC） sensor was constructed. Indium-zinc sulfide， indium-magnesium sulfide， sodium ion， and potassium ion doped methylene blue-sensitized nitrogen carbide complex ZnIn2S4/MgIn2S4/NaKC3N4-MB was used as the photoelectrocathode， and the metal alkyne polymer phenyl vinyl copper（PPhECu） nanorods was usedasphotocathode，thecomplexeswerecharacterized by X-ray diffraction， scanning electron microscopy， transmission electron microscopy， and photo-"and electrochemical detection. The results show that the formation of heterostructures in the photoactive ZnIn2S4/MgIn2S4/NaKC3N4-MB photoanode accelerates the transfer of photogenerated electrons， which results in excellent photovoltaic performance， and can be used as a counter electrode to provide electrons for the sensing system. The self-powered PEC detection mode of the integrated photo-anode and photocathode can eliminate the interference of reducing substances in biological samples，"which significantly improves the anti-interference ability and detection sensitivity of the PEC sensor， and detects the mass concentration in the range of 5×10-5～200 mg/L with the detection limit of 0.015 6 ng/L.

Keywords： photoelectrochemistry; self-powered sensor; photo-anode; photocathode; photogenerated electronics

乳腺癌有4種分子固有亞型，全球患者數(shù)居高不下，且呈現(xiàn)年輕化趨勢(shì)［1］。其中，約20%～25%的乳腺癌是由人表皮生長(zhǎng)因子受體2（HER2）基因擴(kuò)增或相關(guān)HER2跨膜受體蛋白過(guò)度表達(dá)引起的，這類乳腺腫瘤被稱為HER2+型乳腺癌［2-4］。HER2是一種跨膜受體蛋白酪氨酸激酶，參與多種細(xì)胞過(guò)程，在許多生理過(guò)程中發(fā)揮重要作用［5-7］； 然而， 過(guò)表達(dá)的HER2具有致癌活性， 并且過(guò)表達(dá)的HER2易位到細(xì)胞核和線粒體的非典型功能進(jìn)一步導(dǎo)致致癌信號(hào)傳導(dǎo)多樣化， 因此， HER2是眾多乳腺癌標(biāo)志物中的一種。 目前， 雖然針對(duì)HER2+型乳腺癌的HER2抑制劑已經(jīng)研制出來(lái)， 但在具有顯著治療益處的同時(shí)， 其獲得性耐藥性也不容忽視。 最為致命的是， 這些抑制劑對(duì)患者體內(nèi)的HER2水平幾乎甚至沒(méi)有影響，因此，開(kāi)發(fā)靈敏、 簡(jiǎn)便的檢測(cè)方法，更快速、 準(zhǔn)確地檢測(cè)人體內(nèi)的HER2水平，對(duì)乳腺癌患者能夠早期診斷和及時(shí)有效治療具有重要意義。

電化學(xué)檢測(cè)方法具有響應(yīng)快速、成本低、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，是一種在眾多領(lǐng)域的目標(biāo)物檢測(cè)中應(yīng)用廣泛的技術(shù)工具。由于電化學(xué)分析技術(shù)以及與光化學(xué)結(jié)合的光電化學(xué)（PEC）檢測(cè)技術(shù)的激發(fā)信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)不同，因此具有靈敏度高和背景信號(hào)弱的顯著優(yōu)勢(shì)［8］。傳統(tǒng)的PEC傳感器根據(jù)輸出的光電流信號(hào)可分光電陽(yáng)極傳感器及光電陰極傳感器，但是單一光電陽(yáng)極的空穴氧化反應(yīng)、光電陰極的弱光電響應(yīng)等問(wèn)題無(wú)法避免［9］。為了解決這些問(wèn)題，自供電PEC傳感器引起了研究者的廣泛關(guān)注。自供電PEC傳感器具備集成光電陽(yáng)極和光電陰極的雙光電極系統(tǒng)，其中光電陰極用于傳感分析，光電陽(yáng)極通過(guò)與光電陰極間的電位差將光生電子從外電路輸送到光電陰極，實(shí)現(xiàn)光電陰極光電信號(hào)的放大，有效防止非特異性氧化還原反應(yīng)，極大地改善PEC傳感器的抗干擾能力［10-11］。

在設(shè)計(jì)自供電PEC傳感器時(shí)，尋找化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、 費(fèi)米能級(jí)合適的光敏材料來(lái)構(gòu)建傳感裝置至關(guān)重要。具有原子層狀結(jié)構(gòu)的二維（2D）鋅銦硫化物ZnIn2S4憑借帶隙合適、 表面積大、 毒性低、 光穩(wěn)定性優(yōu)異、 化學(xué)性能出色的優(yōu)勢(shì)在光電化學(xué)傳感領(lǐng)域具有很高的研究?jī)r(jià)值［12-16］。與ZnIn2S4同屬三元金屬硫?qū)倩镱悇e的MgIn2S4具有環(huán)境安全、 易合成、 光學(xué)和電學(xué)性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)［17］； 但是三元金屬硫化物存在空穴-電子復(fù)合率高、 光腐蝕嚴(yán)重的問(wèn)題，導(dǎo)致這類材料的PEC性能不理想［18-20］，因此，實(shí)現(xiàn)ZnIn2S4、 MgIn2S4納米材料光生載體的高效分離、 遷移及抗光腐蝕性能的提升對(duì)擴(kuò)展其在PEC領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。與其他半導(dǎo)體納米材料結(jié)合，構(gòu)建高質(zhì)量異質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)改善材料性能已被證明是一種有效的方法。與單一的ZnIn2S4納米材料相比，將ZnIn2S4與能級(jí)匹配的In2O3、 MnTiO3半導(dǎo)體材料結(jié)合形成In2O3/ZnIn2S4/MnTiO3異質(zhì)結(jié)具有強(qiáng)而穩(wěn)定的光電流，光電性能顯著改善。碳氮化合物g-C3N4光生載流子復(fù)合嚴(yán)重，可見(jiàn)光響應(yīng)差，導(dǎo)致其光電轉(zhuǎn)換效率較低，但Na+、 K+共摻雜的g-C3N4（NaKC3N4）的可見(jiàn)光利用效率顯著提高。另外，采用亞甲基藍(lán)（MB）作為敏化劑與NaKC3N4結(jié)合，可使其PEC信號(hào)進(jìn)一步增強(qiáng)。由于具有匹配的帶隙結(jié)構(gòu)，因此將具有高光電活性的NaKC3N4-MB與ZnIn2S4、 MgIn2S4結(jié)合形成ZnIn2S4/MgIn2S4/NaKC3N4-MB異質(zhì)結(jié)，可使傳感器可見(jiàn)光利用效率和光電轉(zhuǎn)換效率顯著提高，是一種理想的傳感器光電陽(yáng)極材料。

金屬炔基聚合物苯基乙烯基銅（PPhECu）中銅原子因與苯乙炔配位而被固定，促進(jìn)電子與空穴的分離［21］。另外，PPhECu內(nèi)部炔基和苯環(huán)之間特殊的共軛結(jié)構(gòu)可以有效抑制光生載流子的復(fù)合［22］，因此PPhECu具有較高的初始陰極電流，有利于提高PEC傳感器的靈敏度。Fe3O4納米材料具有生物相容性、 磁性、 環(huán)境友好性，在電化學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注［23］。由于具有強(qiáng)的超順磁性，因此基于Fe3O4的納米復(fù)合材料易于分離，在凈化檢測(cè)系統(tǒng)的同時(shí)還可以提高檢測(cè)的靈敏度。供體-受體（D-A）共軛聚合物材料可通過(guò)分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生光電流及無(wú)需額外的電子供體或受體，具有優(yōu)異的光電性能。共價(jià)有機(jī)框架（COF）材料的大的比表面積有利于電荷分離，π共軛體系賦予其較高的光生載流子遷移速率，使得COF材料在傳感領(lǐng)域備受關(guān)注。

本文中利用銦鋅硫化物、 銦鎂硫化物、 鈉離子、 鉀離子摻雜的亞甲基藍(lán)（MB）敏化的碳化氮復(fù)合物ZnIn2S4/MgIn2S4/NaKC3N4-MB納米復(fù)合材料作為光電陽(yáng)極，PPhECu作為光電陰極，F(xiàn)e3O4@D-A COF作為檢測(cè)抗體標(biāo)記物，構(gòu)建了一種自供電PEC傳感器用于HER2的檢測(cè)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備包括： AXS D8型X射線衍射儀（XRD），德國(guó)Bruker公司； Gemini 300型掃描電子顯微鏡（SEM），德國(guó)Zeiss公司； H-800型透射電子顯微鏡（TEM），日本Hitachi公司； ESCALAB 250型X射線光電子能譜儀（XPS），美國(guó)Therofisher公司； VERTEX70型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），德國(guó)Bruker公司； Zennium PP211型電化學(xué)工作站，德國(guó)Zahner公司； CHI760E型光電化學(xué)工作站，上海辰華儀器有限公司； TU-1901型紫外-可見(jiàn)光譜分析儀，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。

實(shí)驗(yàn)用材料和試劑包括：人表皮生長(zhǎng)因子受體2（HER2）、 一級(jí)抗體（Ab1）、 二級(jí)抗體（Ab2），武漢精細(xì)生物技術(shù)有限公司； 氧化銦錫（ITO）導(dǎo)電玻璃，珠海凱沃電子元件有限公司； 四水合氯化銦InCl3·4H2O、 十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、 2， 5-二甲氧基苯-1， 4-二甲醛（DMTP）、 牛血清白蛋白（BSA），上海阿拉丁生化科技股份有限公司； 六水合硝酸鎂Mg（NO3）2·6H2O、 乙二醇（EG）、 硫代乙酰胺（TAA）、 三聚氰胺C3H6N6、 氯化鉀KCl、 氫氧化鈉NaOH、 乙酸鈉、 1， 3， 5-三（4-氨苯基）苯（TAPB）、 亞甲基藍(lán)（MB）、 1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳酰二亞胺（EDC）、 N-羥基琥珀酰亞胺（NHS），上海麥克林生物化學(xué)有限責(zé)任公司； 氯化鋅ZnCl2、 六水氯化鐵FeCl3·6H2O，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司； 二水合檸檬酸鈉Na3C6H5O7·2H2O，上海思域化工科技有限公司； 巰基乙酸（TGA）、 乙酸銅一水合物CuAc2·H2O，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司； 乙腈C2H2N，天津市富宇精細(xì)化工有限公司； 光電響應(yīng)測(cè)試采用的電解質(zhì)為磷酸鹽緩沖液（PBS）緩沖溶液（KH2PO4、 Na2HPO4的濃度均為0.1 mol/L）。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所有試劑均為分析級(jí)試劑，且均使用超純水。

1.2ZnIn2S4的合成

采用油浴法制備ZnIn2S4［15］。將0.136 3 g ZnCl2、 0.586 5 g InCl3·4H2O與0.450 5 g TAA加入100 mL超純水中，磁力攪拌直至溶解。將混合溶液在80 ℃的油浴溫度下回流6 h。反應(yīng)結(jié)束后，將冷卻至室溫的產(chǎn)物經(jīng)離心洗滌、真空干燥后，得到ZnIn2S4。

1.3MgIn2S4的制備

將0.5 mmol Mg（NO3）2·6H2O、 1 mmol InCl3·4H2O加入70 mL EG中，攪拌0.5 h，然后向該懸浮液中加入4 mmol TAA，磁力攪拌0.5 h。將其轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜，于180 ℃下反應(yīng)12 h?；謴?fù)至室溫后，將反應(yīng)產(chǎn)物用超純水、無(wú)水乙醇洗滌多次，真空干燥得到MgIn2S4。

1.4NaKC3N4-MB的合成

將1.513 4 g三聚氰胺、 5.964 0 g KCl、 0.120 0 g NaOH混合研磨后，所得粉末轉(zhuǎn)移至坩堝。在馬弗爐中以550 ℃的溫度退火4 h，其中升溫速率保持在2.2 ℃/min。所得物質(zhì)在去離子水中超聲處理3 h，洗滌后得到NaKC3N4溶液。將一定量的MB加入NaKC3N4溶液，反應(yīng)10 min。離心洗滌，去除多余的MB，真空干燥后得到NaKC3N4-MB粉末。

1.5PPhECu納米棒的制備

首先合成前驅(qū)體堿式乙酸銅Cu2（OH）3OAc·H2O。在磁力攪拌下，將2 g CuAc2·H2O溶于100 mL去離子水中， 用NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH為7， 溶液呈中性。 溶液pH對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物Cu2（OH）3OAc·H2O的生成至關(guān)重要， pH偏小則堿式乙酸銅無(wú)法生成， pH偏大則反應(yīng)產(chǎn)物是Cu（OH）2，無(wú)法得到目標(biāo)產(chǎn)物。上述溶液在室溫下攪拌2 h，老化過(guò)夜。將所得物質(zhì)洗滌、 真空干燥處理后，得到藍(lán)色Cu2（OH）3OAc·H2O。

其次將0.3 g Cu2（OH）3OAc·H2O加入含有0.15 g CTAB、 400 μL苯乙炔的30 mL無(wú)水甲醇中，置于35 ℃油浴中保持48 h。用超純水、 無(wú)水乙醇對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行離心洗滌，經(jīng)干燥、 研磨后得到黃色的目標(biāo)產(chǎn)物PPhECu納米棒。

1.6Fe3O4@D-A COF納米材料的合成

制備Fe3O4@D-A COF納米材料。將6.8 g FeCl3·6H2O、 12.0 g乙酸鈉及2.0 g二水合檸檬酸鈉經(jīng)超聲處理后溶于200 mL乙二醇中，將混合溶液轉(zhuǎn)移至高溫反應(yīng)釜， 200 ℃反應(yīng)10 h。磁鐵分離，得到反應(yīng)產(chǎn)物。 經(jīng)離心洗滌、 真空干燥處理后， 得到黑色的Fe3O4納米材料。將0.01 g Fe3O4加入10 mL乙腈中，超聲處理10 min。向所得溶液中加入0.028 2 g TAPB，室溫下振搖6 h，然后將0.023 3 g DMTP及2 mL冰醋酸的濃度為12 mol/L的溶液加入其中，繼續(xù)振搖72 h。振搖結(jié)束后，磁力分離，用無(wú)水甲醇數(shù)次洗滌反應(yīng)產(chǎn)物，經(jīng)真空干燥處理后得到Fe3O4@D-A COF納米材料。

1.7Fe3O4@D-A COF-Ab2生物結(jié)合物的制備

在合成的Fe3O4@D-A COF中引入氨基。將0.05 g Fe3O4@D-A COF納米材料加入30 mL無(wú)水乙醇中， 超聲處理20 min， 將0.5 mL APTES溶液加入所得溶液中， 采用油浴回流方式在90 ℃反應(yīng)6 h。 放置冷卻， 將所得產(chǎn)物洗滌、 干燥， 得到氨基化NH2-Fe3O4@D-A COF納米材料。

在1 μL HER2 Ab2的質(zhì)量濃度為10 mg/L的溶液中加入80 μL EDC（質(zhì)量濃度為5 g/L）和80 μL NHS（質(zhì)量濃度為1 g/L）溶液，振蕩0.5 h。將1 mL NH2-Fe3O4@D-A COF的質(zhì)量濃度為5 g/L的水溶液加入上述溶液中， 室溫振蕩3 h。 將所得溶液分別置于2個(gè)離心管離心洗滌。 第1次離心洗滌時(shí)不加入其他試劑，第2次離心洗滌時(shí)用KH2PO4、 Na2HPO4的濃度為0.1 mol/L的PBS溶液（pH=7.4）洗滌，獲得Fe3O4@D-A COF-Ab2。將所得目標(biāo)產(chǎn)物分散于2 mL PBS溶液中，保存于4 ℃環(huán)境中。

1.8傳感器的制備

傳感器的構(gòu)建過(guò)程如圖1所示。將10 μL ZnIn2S4的質(zhì)量濃度為5 g/L的溶液滴加于ITO電極上，自然干燥后再滴加10 μL MgIn2S4的質(zhì)量濃度為7 g/L的溶液，待電極干燥后再滴加10 μL NaKC3N4-MB的質(zhì)量濃度為5 g/L的溶液，于室溫下干燥，形成ITO/ZnIn2S4/MgIn2S4/NaKC3N4-MB光電陽(yáng)極電極。將10 μL PPhECu的質(zhì)量濃度為5 g/L的溶液滴加于ITO電極上，室溫干燥，形成ITO/PPhECu電極。在此電極表面滴10 μL TGA的濃度為5 mmol/L的溶液， 孵化0.5 h， 引入羧基， 從而實(shí)現(xiàn)抗原抗體的固定。 滴加10 μL EDC與NHS的混合溶液（EDC、 NHS的質(zhì)量濃度分別為 30、 15 g/L）來(lái)活化羧基。1 h后用pH為7.4的PBS溶液清洗電極表面，室溫放置0.5 h。在ITO電極上滴加10 μL HER2捕獲抗體，于4 ℃環(huán)境孵育一夜，隨后加入10 μL BSA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的PBS溶液孵育1 h以封閉非特異性活性位點(diǎn)。將10 μL HER2抗原（Ag）滴加在電極表面，放置1 h，再將10 μL Fe3O4@D-A COF-Ab2溶液加入ITO表面，室溫下孵育1 h，得到ITO/PPhECu/Ab1/BSA/Ag/Fe3O4@D-A COF-Ab2光電陰極。孵育過(guò)程進(jìn)行下一步驟前，均要用KH2PO4·Na2HPO4的濃度為0.1 mol/L 的PBS溶液（pH=7.4）清洗電極。

1.9傳感器的測(cè)試

在不含有電子供體的10 mL PBS溶液（pH=7.4）中測(cè)試傳感器的光電響應(yīng)性能，以制備的光電陰極為工作電極，光電陽(yáng)極為對(duì)電極，飽和甘汞電極為參比電極組成三電極系統(tǒng)，光源為白色混合光（波長(zhǎng)為400～700 nm），每個(gè)周期光源開(kāi)關(guān)的時(shí)間間隔為10 s，運(yùn)行時(shí)間為65 s，不額外偏置電壓。

2結(jié)果與討論

2.1材料表征分析

圖2為光活性材料ZnIn2S4、 MgIn2S4及Fe3O4@D-A COF的前驅(qū)體Fe3O4的XRD譜圖和FT-IR光譜。如圖2（a）、 （b）、 （c）所示，試樣ZnIn2S4、 MgIn2S4、 Fe3O4的衍射峰分別與粉末衍射數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)卡片（PDF）49-1562、 31-0792、 26-1136吻合良好，表明這3種納米材料成功制備。從PPhECu的FTIR光譜［圖2（d）］可以看出，波數(shù)為1 435、 1 476、 1 596、 1 626 cm-1的吸收峰對(duì)應(yīng)于苯環(huán)的伸縮振動(dòng)， 波數(shù)為681、 746 cm-1的吸收峰表明PPhECu中苯環(huán)為單取代形式， 波數(shù)為515 cm-1的中等強(qiáng)度的吸收峰與單取代苯環(huán)上CH面內(nèi)變角振動(dòng)相對(duì)應(yīng)， 波數(shù)為1 930 cm-1的吸收峰歸因于C≡C—Cu的伸縮振動(dòng)， 波數(shù)為650 cm-1附近未出現(xiàn)C≡C—H的吸收峰， 表明H完全被Cu取代， 自組裝反應(yīng)完成。

MgIn2S4的XPS譜圖見(jiàn)圖3。在圖3（a）的Mg 1s的譜圖中，結(jié)合能為1 303.77 eV的特征峰說(shuō)明Mg元素是以+2價(jià)氧化態(tài)存在。 在In 3d譜圖［見(jiàn)圖3（b）］中， 結(jié)合能為444.35、 451.93 eV的特征峰分別對(duì)應(yīng)于In 3d5/2、 In 3d3/2， 證明In元素為+3價(jià)態(tài)。 在S 2p譜圖［圖3（c）］中， S 2p3/2、 S 2p1/2的結(jié)合能分別位于161.34、 162.65 eV， 表明S元素為-2價(jià)態(tài)。

圖4（a）中可看出，在PPhECu中僅存在C、 Cu元素，無(wú)其他雜質(zhì)元素。如圖4（b）所示， C 1s譜圖中的特征峰歸因于碳的sp雜化及sp2雜化，分別對(duì)應(yīng)PPhECu中烯烴和苯環(huán)上的碳，證明C元素為-1價(jià)態(tài)。圖4（c）中出現(xiàn)結(jié)合能分別為932.03、 952.06 eV 的Cu 2p3/2、 Cu 2p1/2的特征峰，并且無(wú)其他特征峰出現(xiàn)，表明PPhECu中Cu元素為+1價(jià)態(tài)。

圖5為不同光活性材料的SEM、 TEM圖像。由圖可以看出： ZnIn2S4具有三維花狀形貌［見(jiàn)圖5（a）］，MgIn2S4的形貌為光滑的2D納米片組裝的3D納米花結(jié)構(gòu)［圖5（b）］， NaKC3N4顯示出由堆疊、 連接的不規(guī)則團(tuán)塊組成的略顯松散的結(jié)構(gòu)， 這要?dú)w因于Na+、 K+的摻雜［圖5（c）］。光電陰極材料PPhECu的形貌如圖5（e）的SEM圖像及圖5（f）的TEM圖像所示，顯示出納米棒狀結(jié)構(gòu)。

圖6為NaKC3N4的SEM圖像和能量色散X射線譜（EDS）圖。由圖可知，Na、 K、 C、 N元素在NaKC3N4中均勻分布。采用帶正電的MB敏化后的NaKC3N4（NaKC3N4-MB）， 因π-π堆積及靜電相互作用而顯示出不規(guī)則形貌［圖5（d）］。

圖7所示為NaKC3N4-MB的SEM圖像和EDS圖。由圖可見(jiàn)，在EDS圖中，S元素和其他元素均勻分布，證明MB與NaKC3N4成功結(jié)合。

圖8所示為標(biāo)記物的SEM、 TEM圖像。 從圖中可以看出， Fe3O4@D-A COF的前驅(qū)體Fe3O4的形貌為納米球狀， Fe3O4@D-A COF的形貌為表面不光滑的球形， TEM圖像也進(jìn)一步證明了Fe3O4@D-A COF具有核-殼結(jié)構(gòu)。

2.2傳感器可行性分析

首先，對(duì)設(shè)計(jì)的自供電PEC傳感系統(tǒng)開(kāi)展光電響應(yīng)測(cè)試時(shí)所使用的電解質(zhì)溶液，即不含任何電子供體的PBS溶液進(jìn)行酸堿度的選擇， 結(jié)果見(jiàn)圖9（a）。從圖中可以看出，溶液的pH為7.4時(shí)，傳感器的光電流響應(yīng)最大，因此選擇pH為7.4的PBS溶液作為傳感器光電測(cè)試的電解質(zhì)溶液。用于構(gòu)建自供電傳感平臺(tái)的幾種光活性材料含量的最優(yōu)化篩選結(jié)果見(jiàn)圖9（b）、 （c）、 （d）。在優(yōu)化篩選時(shí)，第1層光電陽(yáng)極材料ZnIn2S4的質(zhì)量濃度固定為5 g/L。圖9（b）中結(jié)果顯示，光電流隨著MgIn2S4含量的增加而增大，在MgIn2S4的質(zhì)量濃度為7 g/L時(shí)光電流最大，因此，MgIn2S4的最佳質(zhì)量濃度為7 g/L。同理，NaKC3N4-MB的最佳質(zhì)量濃度為5 g/L［圖9（c）］。圖9（d）中結(jié)果表明，當(dāng)光電陰極材料PPhECu的質(zhì)量濃度為5 g/L時(shí)，陰極光電流達(dá)到峰值。綜上，本文中選擇MgIn2S4、 NaKC3N4-MB、 PPhECu的質(zhì)量濃度分別為7、 5、 5 g/L作為PEC傳感器基底材料的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

采用優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，測(cè)試所構(gòu)建的自供電PEC傳感器的光電陰極的層層修飾過(guò)程的電化學(xué)阻抗譜EIS和光電響應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)圖10。在鐵氰化鉀和亞鐵氰化亞的混合溶液（［Fe（CN）6］3-/4-）的濃度為5 mmol/L溶液（其中KCl的濃度為0.10mol/L）中測(cè)試交流阻抗，結(jié)果見(jiàn)圖10（a）。由圖可見(jiàn)：裸的ITO電極的阻抗較小（曲線a），經(jīng)PPhECu修飾于電極表面后阻抗稍有增加（曲線b）。Ab1與ITO/PPhECu電極結(jié)合后電極阻抗進(jìn)一步增大（曲線c）。當(dāng)BSA、 Ag、 Fe3O4@D-A COF-Ab2依次修飾于電極時(shí)，阻抗不斷增大（曲線d、 e、 f）。圖10（b）中的光電響應(yīng)測(cè)試結(jié)果也很好地佐證了光電陰極修飾過(guò)程中的交流阻抗的變化。光活性材料PPhECu與ITO電極結(jié)合產(chǎn)生了較大的陰極光電流（曲線b）。從曲線c、 d、 e可以清晰地看出，隨著Ab1、 BSA、 Ag層層修飾在ITO電極，蛋白質(zhì)的絕緣作用抑制了光生載流子的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致光電流信號(hào)不斷減小。當(dāng)Fe3O4@D-A COF-Ab2修飾于電極后，PPhECu與Fe3O4@D-A COF存在良好的帶隙匹配，導(dǎo)致陰極信號(hào)增大。綜上，EIS、 PEC響應(yīng)測(cè)試結(jié)果均表明自供電PEC傳感器各個(gè)傳感元件組裝成功。

2.3光電流產(chǎn)生機(jī)制

光活性材料ZnIn2S4、 MgIn2S4、 NaKC3N4-MB、 PPhECu的固體紫外漫反射光譜見(jiàn)圖11。 由圖可知， ZnIn2S4、 MgIn2S4、 NaKC3N4-MB、 PPhECu的帶隙寬度Eg分別為2.40、 2.26、 2.67、 2.36 eV。為了確定帶邊位置，分別測(cè)試不同材料的Mott-Schottky曲線， 結(jié)果見(jiàn)圖12。 結(jié)果顯示， 對(duì)比氫標(biāo)準(zhǔn)電極， ZnIn2S4、 MgIn2S4、 NaKC3N4-MB、 PPhECu平帶電勢(shì)Efb［對(duì)比氫標(biāo)準(zhǔn)電極（NHE）］分別為-0.62、 -0.82、 -1.03、 1.17 eV。n型半導(dǎo)體的Efb比導(dǎo)帶電勢(shì)ECB高約0.1 eV，而p型半導(dǎo)體的Efb比價(jià)帶電勢(shì)EVB低約0.1 eV，由此可得ZnIn2S4、 MgIn2S4、 NaKC3N4-MB的ECB（對(duì)比NHE）分別為-0.72、 -0.92、 -1.13 eV， PPhECu的EVB（對(duì)比NHE）為1.27 eV。 根據(jù)Eg、 ECB或EVB的數(shù)值，可計(jì)算ZnIn2S4、 MgIn2S4、NaKC3N4-MB的EVB（對(duì)比NHE）分別為1.68、1.34、 1.54 eV，PPhECu的ECB（對(duì)比NHE）為-1.09 eV。

自供電PEC傳感器檢測(cè)HER2的可能的光生載流子轉(zhuǎn)移機(jī)制如圖13所示。光活性材料在激發(fā)光源的照射下被激發(fā)，光生電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移至導(dǎo)帶。對(duì)于光電陽(yáng)極而言，NaKC3N4-MB導(dǎo)帶上的光生電子轉(zhuǎn)移至MgIn2S4的導(dǎo)帶，進(jìn)而轉(zhuǎn)移至ZnIn2S4的導(dǎo)帶，最終到達(dá)ITO電極。這3種材料帶隙匹配良好，提高了載流子分離和光捕獲能力，有效抑制了電子-空穴對(duì)的復(fù)合。光電陽(yáng)極與光電陰極之間存在的電位差，驅(qū)動(dòng)光生電子從外電路輸送到光電陰極。對(duì)于光電陰極而言，當(dāng)抗原抗體特異性結(jié)合后，二抗標(biāo)記物Fe3O4@D-A COF所具有的D-A共軛結(jié)構(gòu)使得在材料內(nèi)部除了光生電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移至導(dǎo)帶外，供體結(jié)構(gòu)中導(dǎo)帶上的光生電子也會(huì)轉(zhuǎn)移至受體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶。另外，PPhECu中的光生電子也會(huì)從導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移至Fe3O4@D-A COF的導(dǎo)帶，F(xiàn)e3O4@D-A COF價(jià)帶上的光生空穴則轉(zhuǎn)移至PPhECu的價(jià)帶。光生載流子的有效分離使得光電陰極信號(hào)放大，提高了PEC傳感器的靈敏度。

2.4HER2的PEC分析

在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下，不同含量的HER2與抗體實(shí)現(xiàn)特異性識(shí)別， 從而產(chǎn)生不同的光電流信號(hào)，結(jié)果見(jiàn)圖14。從圖14（a）可以看出，當(dāng)HER2的質(zhì)量濃度為5×10-5～200 mg/L時(shí)，隨著HER2含量的增加，傳感器光電陰極的光電響應(yīng)也呈增大趨勢(shì)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，自供電PEC傳感器的光電流I與HER2的質(zhì)量濃度ρ（HER2）的對(duì)數(shù)呈線性相關(guān)，線性擬合表達(dá)式為I=-1.68-0.25lg ρ（HER2）， 決定系數(shù)R2為0.997 6，檢測(cè)限低至0.015 6 ng/L［圖14（b）］。

2.5傳感器的其他性能

穩(wěn)定性、 重現(xiàn)性、 特異性是評(píng)估傳感器的3個(gè)重要性能指標(biāo)。所構(gòu)建的自供電PEC傳感器的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖15（a）。在光源照射下，對(duì)PEC傳感器進(jìn)行13次開(kāi)關(guān)燈測(cè)試，結(jié)果顯示傳感器的光電流曲線形狀及PEC信號(hào)在整個(gè)開(kāi)關(guān)燈循環(huán)過(guò)程中沒(méi)有顯著差異，傳感器的穩(wěn)定性良好。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)試6個(gè)經(jīng)相同處理的ITO電極的光電信號(hào)以表征傳感器的重現(xiàn)性能，結(jié)果見(jiàn)圖15（b）。結(jié)果顯示，不同電極光電流數(shù)值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為2.72%，傳感器的重現(xiàn)性良好。選擇常用腫瘤標(biāo)志物CD44、 CA125和CA153作為干擾物質(zhì)來(lái)評(píng)估傳感器的特異性能，結(jié)果見(jiàn)圖15（c）。由圖可以看出，在上述干擾物質(zhì)存在時(shí)，傳感器具有良好的特異性，抗干擾能力優(yōu)異。

2.6樣品分析

為了驗(yàn)證所構(gòu)建的自供電PEC傳感器的可行性，采用優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，在人體血清樣品中加入不同量的HER2，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行樣品分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表可見(jiàn)，樣品回收率為95.2%～101.5%，RSD為1.0%～4.5%，表明該傳感器具有較高的可靠性。

3結(jié)論

本文中成功構(gòu)建了銦鋅硫化物、 銦鎂硫化物、 鈉離子、 鉀離子摻雜的亞甲基藍(lán)敏化的碳化氮復(fù)合物ZnIn2S4/MgIn2S4/NaKC3N4-MB作為光電陽(yáng)極，PPhECu納米棒作為光電陰極的自供電PEC傳感器，用于HER2的靈敏檢測(cè)，得到如下結(jié)論：

1）抗原抗體特異性識(shí)別過(guò)程發(fā)生在光電陰極中，消除了生物樣品中多種還原性物質(zhì)的干擾，提高了PEC傳感器在樣品檢測(cè)中的抗干擾能力。

2）利用光電陰極的缺電子性質(zhì)，采用光電陽(yáng)極取代傳統(tǒng)的鉑電極作為輔助電極，利用光電陽(yáng)極與光電陰極之間的電位差驅(qū)動(dòng)光電陽(yáng)極的光生電子經(jīng)外電路傳輸至光電陰極，顯著提高了傳感器的PEC響應(yīng)和檢測(cè)靈敏度。

3）采用Fe3O4@D-A COF作為二抗標(biāo)記物，獨(dú)特的D-A共軛結(jié)構(gòu)及與PPhECu良好的帶隙能級(jí)匹配，實(shí)現(xiàn)了傳感器陰極信號(hào)的放大。采用優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，所構(gòu)建的自供電PEC傳感器的檢測(cè)質(zhì)量濃度范圍為5×10-5～200 mg/L，檢測(cè)限為0.015 6 ng/L，檢測(cè)靈敏度較高， 并且該傳感器還具有優(yōu)越的穩(wěn)定性、 重現(xiàn)性及特異性。

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（責(zé)任編輯：于海琴）

收稿日期： 2024-07-10網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間：2024-10-08T16：09：06

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（22274062）

第一作者簡(jiǎn)介： 盧鵬（1966—），女，山東即墨人。高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槭称匪幤窓z驗(yàn)。E-mail： lupeng7896@163.com。

通信作者簡(jiǎn)介： 陳金貴（1997—），男，山東臨沂人。博士研究生，研究方向?yàn)楣怆娀瘜W(xué)傳感器。E-mail： chenjingui1207@163.com。

張諾（1985—），女，山東濟(jì)南人。高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，博士，研究方向?yàn)楣怆娀瘜W(xué)傳感器。E-mail： chm_zhangn@ujn.edu.cn。

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