用于絲網(wǎng)印刷光電化學(xué)生物傳感器的功能納米材料的最新進(jìn)展

關(guān)鍵詞：光電化學(xué)分析；生物傳感器；絲網(wǎng)印刷電極；光活性材料；信號放大技術(shù)

1 引言

光電化學(xué)（PEC）傳感是一種涉及將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的新興分析技術(shù)。由于它具有背景信號低、靈敏度高、準(zhǔn)確性高和響應(yīng)快等優(yōu)點，因此引起了人們的極大興趣。廣義上講，傳統(tǒng)電化學(xué)傳感、PEC傳感和電化學(xué)發(fā)光（ECL）傳感都屬于電化學(xué)分析1。與傳統(tǒng)電化學(xué)傳感相比，PEC傳感由于激發(fā)源和檢測信號的能量形式不同，背景信號更低且靈敏度更高2–4。與ECL傳感相比，電子讀數(shù)的使用使PEC傳感成本更低，設(shè)備更簡單，更易于小型化1。一個典型的PEC傳感系統(tǒng)由三部分組成：激發(fā)光源、檢測系統(tǒng)（電解質(zhì)和電極）和信號讀取裝置5。根據(jù)電子傳輸方向，PEC傳感器可分為陽極型和陰極型6。陽極型PEC傳感器使用n型半導(dǎo)體作為光活性材料，而陰極型PEC傳感器使用p型半導(dǎo)體作為光活性材料。PEC傳感的一般工作原理如下（圖1）：在光照下，工作電極上的光活性材料被具有足夠能量的光子激發(fā)（半導(dǎo)體可以被能量等于或大于其固有帶隙的光子激發(fā)），產(chǎn)生電子-空穴（e-h）對。然后，電解質(zhì)中的電子供體（D）或受體（A）可以在工作電極界面處中和生成的空穴或捕獲生成的電子。最終，在外部偏置電位作用下，通過電子傳輸形成恒定的陽極或陰極電流，并顯示在信號讀取裝置上7–9。當(dāng)目標(biāo)分析物與工作電極上的識別元件相互作用后，可觸發(fā)電信號的變化。目標(biāo)分析物的濃度與電信號的變化之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，從而可以實現(xiàn)對目標(biāo)分析物的定量分析6，10。

近年來，作為PEC分析的一個分支，PEC生物傳感已成為一個研究熱點11。在PEC生物傳感器中，生物識別元件（酶、抗體、核酸和肽等）與其相應(yīng)靶標(biāo)之間的特異性相互作用，通過直接或間接改變光活性材料的性質(zhì)或電解質(zhì)環(huán)境而引起電信號的變化12，13。PEC生物傳感器結(jié)合了傳統(tǒng)PEC分析的高靈敏度和生物相互作用的高特異性的優(yōu)勢，因此在各種應(yīng)用中都具有廣闊的前景。目前，PEC生物傳感已廣泛應(yīng)用于疾病診斷11，14、食品安全檢測13，15和環(huán)境監(jiān)測16。

一次性絲網(wǎng)印刷電極（SPE）在電化學(xué)分析中的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了電化學(xué)傳感設(shè)備的小型化，使其順應(yīng)了即時檢測（POCT）的發(fā)展趨勢。迄今為止，已有大量關(guān)于絲網(wǎng)印刷電化學(xué)（生物）傳感器的研究工作得到總結(jié)17–22。此外，使用SPE的ECL生物傳感器也得到了綜述23。盡管有關(guān)絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器的出版物數(shù)量逐年增加，但只有少數(shù)關(guān)于紙基分析設(shè)備的綜述文章涵蓋了一些相關(guān)工作10，24，25。簡而言之，目前缺乏對絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器的全面總結(jié)。

眾所周知，光活性材料在PEC生物傳感器中起著至關(guān)重要的作用，因為它們不僅是光電轉(zhuǎn)換平臺，還是識別元件的裝載平臺6。各種光活性材料，如金屬氧化物、金屬硫族化合物、碳納米材料等，已被廣泛用于制備PEC生物傳感器。然而，常用的單一光活性材料存在一些缺點（如可見光吸收差、電子-空穴復(fù)合率高和光腐蝕），導(dǎo)致光電性能不理想。因此，合理設(shè)計和工程化光活性材料被認(rèn)為是構(gòu)建高性能光電極的關(guān)鍵。此外，通常還需要一些信號放大策略以進(jìn)一步提高PEC生物傳感器的靈敏度26–28。鑒于此，本文首次系統(tǒng)總結(jié)了用于絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器的功能材料的研究進(jìn)展，重點介紹了光活性材料的設(shè)計和工程化策略，以及PEC生物傳感器的信號放大技術(shù)，旨在為讀者提供這一蓬勃發(fā)展領(lǐng)域的全面信息。此外，本文還討論了絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器所面臨的挑戰(zhàn)和前景，為促進(jìn)絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器的發(fā)展和商業(yè)化提供有益的指導(dǎo)。

2 SPE簡介

與傳統(tǒng)電極（如玻碳電極）相比，集成的SPE具有成本低、樣品消耗少、便攜、易于操作、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點，有利于傳感設(shè)備的小型化20。隨著人們對可穿戴電子設(shè)備和POCT設(shè)備的需求日益增長，SPE在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛29。典型的SPE由三個電極組成：工作電極（WE）、對電極（CE）和參比電極（RE） 30。有時，為了滿足實際需求或提高某種疾病的檢測精度，可以在一個SPE中設(shè)計兩個或更多WE，共用一個對電極和參比電極，以同時檢測多種分析物。SPE的制造是通過使用絲網(wǎng)/網(wǎng)格支撐阻墨模版，并用刮刀在絲網(wǎng)模版上移動，然后將油墨印刷到固體基底上21，31 （圖2a）。通常需要兩個或更多的絲網(wǎng)/網(wǎng)格來實現(xiàn)油墨的逐層印刷，最終在基底上形成特定的電極圖案（圖2b）。每層印刷后，油墨層需要通過熱處理固化。最后，需要用絕緣油墨涂層將導(dǎo)電軌道保護(hù)起來。具體來說，SPE的制造是一個多步驟的過程，包括材料的選擇（包括絲網(wǎng)/網(wǎng)格、適當(dāng)粘度的油墨和基底）、印刷、干燥和固化過程30，32，33。紙張、織物、塑料、玻璃、氧化鋁或陶瓷表面通常用作制造SPE的基底30，34。碳墨（主要含石墨）因其價格低廉、易于改性和化學(xué)惰性而成為了最為廣泛使用的油墨。此外，其他碳納米材料（如石墨烯、碳納米管）、金、銀、鎳、鈀、銅以及一些金屬氧化物也被用作印刷油墨，以滿足各種研究需求34。

用于SPEs的印刷油墨中包含一些礦物粘合劑或絕緣聚合物以提高附著力，這可能會阻礙WE表面的電子傳輸31。為了改善裸SPE電子傳輸緩慢的問題以獲得更好的分析性能，各種納米材料，如金屬、金屬氧化物、碳納米材料、導(dǎo)電聚合物等，已被用于改性SPE 20。改性可以通過各種方法（如滴鑄、噴墨印刷、電沉積）在電極表面修飾納米材料或直接將納米材料添加到印刷油墨中來實現(xiàn)19，20，35。

3 用于絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器的納米材料

光活性材料對PEC生物傳感器至關(guān)重要，因為其性質(zhì)直接影響PEC生物傳感器的分析能力。因此，開發(fā)具有優(yōu)異的光吸收能力、高光電轉(zhuǎn)換效率、良好的電子-空穴分離能力和穩(wěn)定性的理想光活性材料具有重要意義。迄今為止，已經(jīng)有各種半導(dǎo)體納米材料被應(yīng)用于制備絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器。概括起來，這些納米材料可以分為四大類：金屬氧化物、金屬硫族化合物、碳納米材料和鉍基納米材料。純光活性材料通常具有一些缺點，因此需要一定的設(shè)計和工程化策略來改善其光電性能。下文總結(jié)了用于絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器的光活性材料，重點介紹了這些材料的設(shè)計和工程化策略。此外，下文還介紹了一些具有代表性的絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器，以及一些重要的信號放大策略。

3.1 金屬氧化物

金屬氧化物納米材料因其無毒性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，已成為用于絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感最受歡迎的材料。然而，金屬氧化物具有帶隙寬和光生電子-空穴對復(fù)合速率快的缺點，導(dǎo)致光電性能較差。因此，人們采用了各種策略來克服這些局限性。目前，廣泛用于制造絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器的金屬氧化物包括ZnO、TiO2、Cu2O和WO3等。表1總結(jié)了基于這些金屬氧化物的絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器，包括其電極、光活性材料、識別元件、目標(biāo)分析物和分析性能36–70。

3.1.1 ZnO

在用于PEC傳感的光活性材料中，ZnO因其優(yōu)異的電子遷移率、高熔點、優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的生物相容性而被廣泛應(yīng)用40，45。然而，ZnO在PEC傳感器中的應(yīng)用受到了帶隙寬、光利用率低和載流子復(fù)合速率高的限制42，45。因此，一些帶隙較窄的半導(dǎo)體（如CdS、CdSe和CdTe）通常被用于拓寬ZnO的光吸收范圍，并提高ZnO的光生電子-空穴分離的效率，最終提高其光電流響應(yīng)45。

CdS敏化ZnO納米結(jié)構(gòu)已在檢測腫瘤標(biāo)志物方面展示出良好的PEC性能。多壁碳納米管（CNTs）因其多樣化的表面化學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的電活性而成為構(gòu)建電化學(xué)傳感器的極具吸引力的材料71。因此，研究人員采用聚二甲基二烯丙基氯化銨功能化的多壁碳納米管（PDDA-CNTs）修飾絲網(wǎng)印刷碳工作電極。在此基礎(chǔ)上，利用CdS QD敏化的多維多孔ZnO球開發(fā)了一種用于檢測CEA的PEC免疫傳感器36。一項研究利用CdS QD敏化的ZnO納米棒作為光活性材料，以及葡萄糖氧化酶（GOx）功能化的納米多孔銀作為第二抗體的標(biāo)簽來放大光電流信號，在Au@Pt納米粒子修飾的紙工作電極（Au@Pt-PWE）上建立了一個用于靈敏檢測CEA和AFP的三維PEC免疫裝置37。外部光源的參與偏離了PEC低成本、便攜的趨勢，因此，一些化學(xué)發(fā)光（CL）系統(tǒng)被開發(fā)出來以取代外部光源。研究人員利用多孔ZnO球和HRP標(biāo)記的抗體修飾的CdS納米棒制備了一個用于檢測PSA的PEC競爭型免疫傳感器，該傳感器采用了luminol-H2O2-辣根過氧化物酶（HRP）-對碘酚（PIP） CL系統(tǒng)38。另一項研究開發(fā)了一種用于檢測CA125的PEC免疫傳感器。該傳感系統(tǒng)是以CdS QD敏化的ZnO納米棒作為光活性材料，并將N-氨丁基-N-乙基異魯米諾（ABEI）和HRP固定在氧化石墨烯（GO）上構(gòu)建的一個CL系統(tǒng)作為內(nèi)部激發(fā)光源建立起來的39。在上述兩種PEC傳感器中，有效避免了外部光源，同時大大增強(qiáng)了光電流響應(yīng)。

盡管CdS敏化劑可以提高ZnO的PEC性能，但在CdS和ZnO之間的界面處仍存在光生電荷的載流子復(fù)合。為了抑制界面處的載流子復(fù)合并進(jìn)一步提高PEC性能，研究人員合成了一種CdS量子點/rGO/ZnO納米棒陣列（NRAs）異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中rGO充當(dāng)電子中介體，有效減緩了電子-空穴復(fù)合速率。通過將上述異質(zhì)結(jié)構(gòu)組裝到金納米顆粒修飾的紙工作光電極（Au-PWE）上，制備了一種基于CL可尋址策略的PEC分析平臺，用于miRNAs的多通道傳感42。

由于鎘基納米材料的潛在毒性，有必要開發(fā)用于敏化ZnO的無毒納米材料。硫銦銅（CuInS2）因其無毒性、在整個可見光區(qū)域的高吸收系數(shù)以及與ZnO相匹配的能級而成為一個理想的候選材料?；赯nO/CuInS2/Ag2Se光活性結(jié)構(gòu)的級聯(lián)敏化效應(yīng)以及核酸酶驅(qū)動的靶雙循環(huán)擴(kuò)增策略，研究人員提出了一種用于檢測miRNA-141的紙基PEC傳感器（圖3）。制備傳感器時，首先在PAE上組裝CuInS2微球敏化的ZnO納米片，然后固定發(fā)夾DNA（H2）。當(dāng)目標(biāo)miRNA-141存在時，雙鏈特異性核酸酶（DSN）激活第一次靶循環(huán)擴(kuò)增，產(chǎn)生大量轉(zhuǎn)換DNA （cDNA）。然后，當(dāng)H2固定的電極與生成的cDNA和λ-外切酶（λ-Exo）結(jié)合時，啟動第二次靶循環(huán)擴(kuò)增，產(chǎn)生大量短DNA（sDNA）。sDNA可以進(jìn)一步與Ag2Se QD 標(biāo)記的pDNA 雜交， 并觸發(fā)ZnO/CuInS2/Ag2Se光活性結(jié)構(gòu)的級聯(lián)敏化效應(yīng)，從而產(chǎn)生顯著增強(qiáng)的光電流響應(yīng)。所得傳感器對miRNA-141的檢測具有高靈敏度和選擇性45。

碳納米材料也常用于改善ZnO的光電特性。一項研究基于ZnO/石墨烯復(fù)合材料構(gòu)建了一種PEC適體傳感器，用于SK-BR-3癌細(xì)胞的靈敏檢測46。與常見的2D結(jié)構(gòu)相比，3D-rGO具有更大的比表面積和更高的導(dǎo)電性72，使其更適合用于改善電極性能。在一項工作中，研究人員首先合成了具有高電子傳輸能力的3D-rGO/纖維素作為基底。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種CL驅(qū)動的PEC紙上實驗室裝置，用于凝血酶的檢測，該裝置涉及氮摻雜碳點（NCdots）敏化的ZnO結(jié)構(gòu)以及靶觸發(fā)級聯(lián)DNA擴(kuò)增策略。具體而言，首先在3D-rGO/纖維素基底上修飾了N-Cdots敏化的ZnO結(jié)構(gòu)，然后固定了捕獲探針。目標(biāo)凝血酶的出現(xiàn)觸發(fā)了靶類似鏈的循環(huán)，然后產(chǎn)生了大量的靶類似鏈（TAC）。產(chǎn)生的TAC不僅特異性地結(jié)合到電極表面的捕獲探針上，還在血紅素存在時觸發(fā)了雜交鏈反應(yīng)（HCR），從而產(chǎn)生大量的血紅素/G-四鏈體。在大量血紅素/G-四鏈體催化劑的幫助下，作為內(nèi)部光源的lumino-H2O2系統(tǒng)實現(xiàn)了強(qiáng)烈的CL發(fā)射，激發(fā)了N-Cdots/ZnO光活性材料產(chǎn)生光電流信號47。在一些工作中，石墨烯量子點（GQDs）和Ag2Se量子點共同敏化的ZnO結(jié)構(gòu)被用作光活性材料來放大光電流信號48，49。

除了碳納米材料之外，有機(jī)物也可用作ZnO的敏化劑。一項研究首先利用簡便的低溫水熱法在Au-PWE上生長了ZnO納米棒，然后使用四羧基萘酞鋅（ZnNc-COOH，一種在近紅外區(qū)域具有強(qiáng)吸收的有機(jī)染料） 對其進(jìn)行敏化。得到的ZnNc-COOH/ZnO/Au-PWE在CEA檢測中表現(xiàn)出良好的性能50。

3.1.2 TiO2

TiO2因其低成本、高光敏度、高光腐蝕抗性和良好的環(huán)境安全性而在PEC應(yīng)用中引起了廣泛關(guān)注53，55。然而，TiO2在PEC生物傳感中的進(jìn)一步應(yīng)用受到了其寬帶隙和光生電子-空穴對的快速復(fù)合的限制51。因此，有必要將TiO2與其他窄帶隙材料結(jié)合起來，以增強(qiáng)相應(yīng)的光電響應(yīng)。

研究人員首先利用石墨烯促進(jìn)光生電荷載流子的分離，以提高TiO2的光電流轉(zhuǎn)換效率。合成的TiO2-石墨烯異質(zhì)結(jié)修飾的絲網(wǎng)印刷碳電極（SPCE）在CEA檢測中表現(xiàn)出良好的PEC性能51。另一項研究合成了鎳單原子錨定的石墨相氮化碳（NixgC3N4）和TiO2的異質(zhì)結(jié)來修飾SPCE。然后，在NigC3N4/TiO2上電化學(xué)沉積芳基重氮鹽以進(jìn)一步減少光生電荷載流子的復(fù)合并促進(jìn)抗體的錨定。所得到的Amb/Nix-gC3N4/TiO2 復(fù)合物相比于原始TiO2的光電流增加了3.1倍52。研究人員利用NCdots作為TiO2 的綠色敏化劑， 制備了NCdots/TiO2/Pt/PWE用于定量分析MCF-7細(xì)胞表面的CEA。引入CEA后，引物鏈（PS）從PS和ZnFe2O4功能化靶鏈（TS）的混合物中釋放出來，釋放的PS進(jìn)一步觸發(fā)了發(fā)夾探針H1和CuS標(biāo)記的發(fā)夾探針H2之間的HCR。因此，大量的CuS納米粒子被引至電極表面。由于CuS NPs競爭性地消耗了光源和電子供體，電極的空間位阻增大，光電流強(qiáng)度大幅下降。結(jié)合可旋轉(zhuǎn)的紙質(zhì)光控開關(guān)設(shè)計，該傳感平臺通過選擇性激活PEC工作區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了高通量檢測54。

傳統(tǒng)的PEC分析需要昂貴而笨重的電化學(xué)工作站。然而，工作站的參與偏離了PEC設(shè)備低成本和便攜性的趨勢。因此，開發(fā)一種實現(xiàn)相同功能并取代電化學(xué)工作站的策略至關(guān)重要。一項研究通過集成CdS/TiO2復(fù)合物修飾的Au-PWE、紙質(zhì)超級電容器（PS）和簡單的數(shù)字萬用表（DMM）構(gòu)建了一種CL激發(fā)的競爭型PEC免疫傳感器，用于CEA的檢測（圖4）。CdS與TiO2之間能級的有效匹配抑制了電子-空穴對的復(fù)合，提高了光電極的PEC性能。同時，合成的CEA/ABEI-AuNPs-GOx生物共軛物可競爭性結(jié)合WE上固定的抗體實現(xiàn)信號放大。GOx催化葡萄糖產(chǎn)生H2O2， 作為ABEI-AuNPs-H2O2-PIP CL系統(tǒng)的共反應(yīng)物。GOx還可被視為一種犧牲性電子供體用于清除光活性材料中的光生空穴，從而增強(qiáng)光電流。產(chǎn)生的光電流可由PS存儲，最終通過DMM讀取55。另一項研究基于絲網(wǎng)印刷光電極陣列（SPPEA）開發(fā)了一種用于同時檢測九種HPV基因的PEC生物傳感器陣列（PEBA）平臺。SPPEA由九個基于ITO的WE、一個共用的AgCE和一個共用的Ag/AgCl RE組成。通過依次將TiO2@Au NPs和不同的CdS QDs標(biāo)記探針引入到WE上構(gòu)建了TiO2@Au/CdS Z-型納米結(jié)構(gòu)。目標(biāo)HPV核酸的存在改變了探針的構(gòu)象，并迫使CdSQDs遠(yuǎn)離電極表面，導(dǎo)致光電流信號的減小。結(jié)合聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)，該P(yáng)EBA成功用于HPV基因的同時檢測和亞型鑒定57。

研究人員采用TiO2/MIL-125-NH2納米管異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為光活性材料， 開發(fā)了一種用于檢測miRNA-182-5p的PEC傳感器。然后，在TiO2/MIL-125-NH2修飾的紙電極上組裝了四面體DNA納米結(jié)構(gòu)（TDN），以提供強(qiáng)大的抗污能力并促進(jìn)DNA行走器的移動效率。miRNA-182-5p打開了DNA三向結(jié)構(gòu)以形成環(huán)形DNA行走器，并進(jìn)一步在傳感界面啟動了HCR。然后，雙鏈DNA被Nt.BstNB I內(nèi)切酶切割，釋放出多巴胺聚合物（PDA）標(biāo)記的ssDNA和DNA行走器，觸發(fā)下一個HCR。多次Nt.BstNB I輔助循環(huán)產(chǎn)生了顯著的光電流響應(yīng)，從而實現(xiàn)了對目標(biāo)的超靈敏和選擇性檢測58。

3.1.3 CuO和Cu2O

CuO是一種低成本、無毒且豐產(chǎn)的光活性材料，其帶隙為1.7 eV，可以在可見光譜范圍內(nèi)吸收光子能量10，59。一項研究基于三維CuO納米花作為光活性材料，利用模擬過氧化物酶轉(zhuǎn)移增強(qiáng)策略，開發(fā)了一種用于檢測5'-三磷酸腺苷（ATP）的紙基PEC傳感設(shè)備。ATP的出現(xiàn)觸發(fā)了G-四鏈體/血紅素的解離。在可控的流體分離器的輔助下，解離的G-四鏈體/血紅素被轉(zhuǎn)移到檢測區(qū)域，催化過氧化氫產(chǎn)生氧氣，進(jìn)一步消耗來自CuO納米花的光生電子，最終增強(qiáng)PEC信號59。Cu2O是一種與CuO類似的p型半導(dǎo)體，但它具有更寬的帶隙（約2.0 eV），因此通常需要與其他材料構(gòu)建異質(zhì)結(jié)以增強(qiáng)其光電性能61，62。研究人員通過在紙基Au工作電極上修飾BiVO4-Bi2S3異質(zhì)結(jié)敏化的Cu2O，構(gòu)建了一種用于miRNA-141檢測的紙基PEC分析設(shè)備。為了進(jìn)一步放大光電信號，通過DSN介導(dǎo)的靶循環(huán)反應(yīng)和多分支HCR將hemin（血紅素）/Pt納米粒子裝飾的DNA樹狀物引入到傳感界面上。引入的DNA樹狀物能夠催化H2O2原位產(chǎn)生O2，后者可作為電子受體進(jìn)一步放大信號60。另一種用于miRNA-141 檢測的PEC 設(shè)備基于BiVO4/Cu2O光活性材料修飾的rGO紙工作電極（BiVO4/Cu2O/rGO-PWE）和自循環(huán)O2-H2O2-O2系統(tǒng)設(shè)計而成（圖5）。利用光生電子作為燃料和血紅素單體作為操作員，O2-H2O2-O2循環(huán)迅速消耗了光生電子，產(chǎn)生了放大的光電流信號。目標(biāo)miRNA-141能夠通過DSN誘導(dǎo)的靶循環(huán)反應(yīng)產(chǎn)生雙觸發(fā)的DNA探針，進(jìn)一步激發(fā)了傳感界面上橋式DNA納米結(jié)構(gòu)的形成。由此產(chǎn)生的DNA橋能夠通過阻礙光生電子的消耗和誘導(dǎo)血紅素單體的二聚化來中斷O2-H2O2-O2循環(huán)，從而導(dǎo)致光電流信號的減小61。研究人員采用FeOOH/Cu2O/CuS修飾的Au-PWE開發(fā)了另一種用于miRNA-141檢測的PEC生物傳感設(shè)備。FeOOH快速地從Cu2O中提取光生空穴，而CuS則快速消耗Cu2O中的光生電子，從而驅(qū)動Cu（II）/Cu（I）氧化還原循環(huán)反應(yīng)，實現(xiàn)了高效的電荷載流子分離。結(jié)合目標(biāo)誘導(dǎo)的G-四鏈體DNA酶介導(dǎo)的電子受體（O2）生成策略，該傳感設(shè)備產(chǎn)生了強(qiáng)烈增強(qiáng)的光電信號62。

3.1.4 WO3

WO3是一種n型半導(dǎo)體，也是在PEC生物分析中常用的光活性材料之一。WO3具有高電子遷移率（10?12 cm2?V?1?s?1）、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的生物相容性。然而，未經(jīng)修飾的WO3的光電轉(zhuǎn)換效率受到寬帶隙（2.5–2.8 eV）和快速的電子-空穴對復(fù)合的限制9。因此，WO3的功能化成為提高PEC響應(yīng)和靈敏度的有效途徑。在一項研究中，研究人員通過耦合WO3和Fe2O3 （具有2.2 eV的窄帶隙）制備了WO3/Fe2O3 異質(zhì)結(jié)作為傳感材料。所得WO3/Fe2O3納米復(fù)合材料不僅將激發(fā)源擴(kuò)展到了可見光范圍，還促進(jìn)了光生載流子的分離。基于WO3/Fe2O3納米復(fù)合材料的PEC傳感平臺在mucin1和miRNA-21的同時檢測中可以產(chǎn)生顯著的初始光電流信號64。另一項研究基于聚乙烯吡咯烷酮處理的In2S3/WO3 （In2S3-P/WO3）異質(zhì)結(jié)構(gòu)和雙重循環(huán)放大策略建立了一種用于超靈敏檢測赭曲霉毒素A （OTA）的紙基PEC適體傳感器。具體而言，使用In2S3作為敏化劑制備了具有II型能帶排列的In2S3-P/WO3光活性異質(zhì)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了WO3的光生載流子分離，并獲得了顯著的初始光電流響應(yīng)。在外切核酸酶III （Exo III）輔助循環(huán)的幫助下，微量的目標(biāo)OTA可以觸發(fā)堿性磷酸酶（ALP）催化反應(yīng)產(chǎn)生大量的抗壞血酸（AA），進(jìn)一步激發(fā)了三（2-羧乙基）膦酸、AA和二茂鐵羧酸之間的PEC化學(xué)-化學(xué)（PECCC）氧化還原循環(huán)，從而提高了PEC生物傳感器的檢測靈敏度65。

3.1.5 其他金屬氧化物

SnO2是一種具有高電子遷移率和光穩(wěn)定性的n型半導(dǎo)體。然而，SnO2在可見光PEC生物傳感器中的應(yīng)用受到了寬帶隙和高電荷載流子復(fù)合速率的限制67。在一項研究中，研究人員利用具有大比表面積和卓越電子傳輸性能的rGO來提高SnO2量子點的光電轉(zhuǎn)換效率。制備的SnO2量子點/rGO復(fù)合材料修飾在多孔金紙電極上用于ATP的檢測66。另一項研究基于一種模板消耗策略制備了一維的Sn自摻雜SnO2納米管（Sn-doped SnO2?x NTs），并將其用作可見光響應(yīng)的紙基PEC生物傳感器的光活性材料，用于AFP的檢測。Sn自摻雜策略拓寬了SnO2納米管的光吸收范圍，并促進(jìn)了電荷載流子的分離，從而導(dǎo)致可見光照射下的光電流強(qiáng)度顯著提高了67。

CeO2是一種窄帶隙（2.67 eV）的半導(dǎo)體，具有良好的光吸收能力和強(qiáng)烈的可見光激發(fā)性質(zhì)。研究人員報導(dǎo)了一種基于CeO2和紙基TiO2納米片（PTNs）之間的電子轉(zhuǎn)移隧道距離調(diào)節(jié)（ETTDR）策略的微流控紙基PEC傳感平臺，用于凝血酶的檢測。具體來說，CeO2標(biāo)記的發(fā)夾DNA 3 （HP3）被固定在PTNs的表面形成CeO2-PTNs異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，PTNs促進(jìn)了CeO2的光生載流子分離，并產(chǎn)生了顯著的光電流信號。輸入目標(biāo)凝血酶可以觸發(fā)一個切割酶信號放大（NESA）循環(huán)，生成大量目標(biāo)DNA （tDNA）。輸出的tDNA可以進(jìn)一步與HP3雜交，并迫使CeO2脫離PTNs表面，導(dǎo)致光電流信號顯著下降。該傳感平臺在凝血酶的檢測中表現(xiàn)良好，檢測限為6.7 fM （M = mol?L?1），線性范圍為0.02至100 pM 68。

純MnO2納米片（帶隙約2.1 eV）是一種成本低、光電活性高的化合物，然而，它們在可見光照射下通常只能產(chǎn)生較弱的光電流。因此，碳量子點（CQD）被用于修飾MnO2以促進(jìn)電荷載流子的分離69。In2O3是一種具有低毒性和高穩(wěn)定性的n型半導(dǎo)體（帶隙約為2.8 eV）。為了提高In2O3的光電性能，研究人員合成了空心In2S3/In2O3異質(zhì)結(jié)。由于In2S3和In2O3的能帶相當(dāng)匹配，異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出增強(qiáng)的光電流響應(yīng)。將In2S3/In2O3光電材料與CRISPRCas12a轉(zhuǎn)切G-四鏈體構(gòu)型的策略相結(jié)合，開發(fā)了一種便攜式的“信號開啟”PEC生物傳感器，用于檢測HPV-16核酸70。

3.2 金屬硫族化合物

金屬硫族化合物由于其獨特的能帶結(jié)構(gòu)，也被廣泛用于PEC傳感。然而，金屬硫族化合物通常具有固有毒性，尤其是含鎘的硫族化合物可能造成鎘污染。此外，與金屬氧化物類似，金屬硫族化合物也受到光生電子空穴對快速復(fù)合的困擾，因此需要采取一些策略來提高其電子-空穴對分離效率。最近，一些三元硫化物因其低毒性而逐漸被用于制備PEC生物傳感器。目前用于制備絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器的金屬硫族化合物包括CdS、CdTe、SnSe、MoS2、ZnIn2S4和CuInS2。表2總結(jié)了基于金屬硫族化合物的絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器，包括其電極、光活性材料、識別元件、目標(biāo)分析物和檢測性能73–85。

CdS因其獨特的能帶結(jié)構(gòu)和可調(diào)的光吸收活性而被廣泛用于PEC傳感。以CdS納米顆粒作為光活性材料制備了幾種一次性微流控PEC生物分析平臺73–75。然而，CdS的電子和空穴的定向傳輸受到活性位點不足和光電場弱的限制。為了改善這一情況，研究人員合成了CdS/CdMoO4雙層殼結(jié)構(gòu)，在光電轉(zhuǎn)換過程中通過Z型轉(zhuǎn)移策略迅速實現(xiàn)了電子和空穴的傳輸。此外，研究人員還引入了葡萄糖氧化酶信號探針來催化過氧化氫的產(chǎn)生，后者被用作空穴捕獲劑來進(jìn)一步放大檢測信號。在此基礎(chǔ)上，利用小型LED手電筒作為激發(fā)光源和數(shù)字萬用表作為信號讀取設(shè)備構(gòu)建了一種便攜式PEC免疫分析平臺，用于全血中CEA的檢測79。

CdTe量子點具有合適的帶隙（約1.45 eV）、寬的吸收范圍、優(yōu)異的光穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。然而，由于其電子-空穴復(fù)合快，它們的光電轉(zhuǎn)換效率相對較低。為了解決上述問題，研究人員引入了具有高電子消耗能力的氧化石墨烯（GO）。利用CdTe量子點和GO的復(fù)合物（CdTe-GO）作為光活性材料，結(jié)合滾環(huán)擴(kuò)增（RCA）技術(shù)進(jìn)一步放大信號，實現(xiàn)了對17β-雌二醇的超靈敏PEC檢測80。

SnSe量子點比CdTe量子點毒性小，此外，它們還具有寬帶隙、高吸收系數(shù)（～105 cm?1）、良好的穩(wěn)定性和水溶性等優(yōu)點。一項研究將鍍金的SnSe量子點與第二抗體（Ab2）耦合作為信號探針構(gòu)建了一種夾心型PEC免疫傳感器，用于檢測癌癥標(biāo)志物CA19-9 81。在各種半導(dǎo)體中，MoS2因帶隙窄（1.2–1.9 eV）表現(xiàn)出近紅外（NIR）光電活性，但其導(dǎo)電性差和不穩(wěn)定限制了在近紅外響應(yīng)PEC生物傳感器中的應(yīng)用。為了解決這個問題，研究人員通過將rGO與MoS2耦合制備了rGO-MoS2片。結(jié)果表明，rGO不僅調(diào)控了MoS2的形貌，還促進(jìn)了載流子的產(chǎn)生和遷移。在近紅外光照射下，與純MoS2相比，所得rGO-MoS2的光電流增加了約8倍82。

三元硫化物ZnIn2S4因其合適的帶隙、獨特的光電性能和可調(diào)的形貌結(jié)構(gòu)而受到廣泛關(guān)注。然而，裸ZnIn2S4存在快速的電子-空穴復(fù)合、不足的活性位點和嚴(yán)重的光腐蝕等問題，這限制了其在PEC傳感中的應(yīng)用。一項研究通過在ZnIn2S4納米片上負(fù)載Co9S8制備了Co9S8@ZnIn2S4異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)電子-空穴分離。同時，通過ALP催化策略原位生成AA以誘導(dǎo)空穴捕獲，從而進(jìn)一步放大光電流響應(yīng)?；贑o9S8@ZnIn2S4異質(zhì)結(jié)構(gòu)修飾的SPE、集成電路板和配備設(shè)計應(yīng)用程序的藍(lán)牙手機(jī)的組合，制備了用于現(xiàn)場檢測乳腺癌生物標(biāo)志物（HER2）的便攜式PEC設(shè)備84。

CuInS2是一種具有低毒性、高電導(dǎo)性和多電活性中心的新型三元硫化物。然而，單獨的CuInS2的光電活性受到其頻繁的電子-空穴復(fù)合的限制。為了提高CuInS2的光電性能，研究人員引入了CoIn2S4作為一個空穴捕獲中心，以防止光生電子-空穴復(fù)合。采用制備的CuInS2/CoIn2S4異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為光電材料，構(gòu)建了一個熱響應(yīng)型光電生物傳感平臺，用于現(xiàn)場檢測miRNA-141 （圖6）。在靶觸發(fā)的酶輔助鏈置換循環(huán)策略的控制下，F(xiàn)e3O4納米顆粒（Fe3O4 NPs） 被釋放出來， 通過促進(jìn)CuInS2/CoIn2S4異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子-空穴復(fù)合來降低光電信號。同時，釋放的Fe3O4 NPs可以通過親水橋轉(zhuǎn)移到光熱區(qū)域形成普魯士藍(lán)納米顆粒（PBNPs）。在近紅外光照射下，F(xiàn)e3O4 NPs與形成的PBNPs之間的激子能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生增強(qiáng)的可視化熱響應(yīng)，最終使傳感平臺實現(xiàn)雙信號輸出85。

3.3 碳納米材料

碳納米材料具有低成本、環(huán)保、高穩(wěn)定性和良好的生物相容性等優(yōu)點，使其成為制備PEC生物傳感器的有前途的光活性材料。到目前為止，碳點（Cdots）和石墨相氮化碳（g-C3N4）已被用于制備絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器。

碳點由于其低成本、易于制備、環(huán)保、高穩(wěn)定性、良好的生物相容性和令人滿意的水溶性等優(yōu)點，成為PEC傳感器的光響應(yīng)候選材料86?88?；谔键c修飾的多通道絲網(wǎng)印刷紙電極，研究人員設(shè)計了一種用于同時檢測多種癌癥抗原的多重PEC免疫傳感器陣列。值得注意的是，該研究制備了一種靈活的紙基ZnO LED，以取代昂貴的光源89。

g-C3N4因其具有易于制備、環(huán)保和可見光響應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點已被廣泛應(yīng)用于PEC傳感。遺憾的是，塊狀g-C3N4中光生電子-空穴對的快速復(fù)合導(dǎo)致其光電轉(zhuǎn)換效率低和PEC響應(yīng)差。人們通過表面官能團(tuán)修飾、剝離、摻雜和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建等方法改善了g-C3N4的性能28，90。研究人員合成了二維羰基化g-C3N4納米片并將其修飾在SPEs上，用于開發(fā)檢測葡萄糖的酶傳感器和檢測SARS-CoV-2的基因傳感器90，91。另一項研究通過在柔性導(dǎo)電紙電極上組裝稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料（UCNPs）@SiO2@Ag和碳自摻雜石墨相氮化碳（C-g-C3N4）建立了一種近紅外響應(yīng)PEC傳感平臺，用于監(jiān)測大腸桿菌O157：H7 （圖7）。UCNPs被用于將近紅外光轉(zhuǎn)換為可見光，而C-g-C3N4被用作光活性材料以產(chǎn)生光電流。AgNPs被用作敏化劑顯著提高UCNPs的上轉(zhuǎn)換發(fā)光，并通過局部表面等離子共振效應(yīng)增強(qiáng)C-g-C3N4的PEC活性。利用抗菌肽Magainin I作為識別元件，該傳感平臺實現(xiàn)了對大腸桿菌O157：H7的超靈敏檢測， 線性檢測范圍廣（5–5 × 106CFU?mL?1），檢測限低至2 CFU?mL?1 92。

3.4 鉍基納米材料

具有窄帶隙和優(yōu)異可見光活性的鉍基納米材料在PEC生物傳感領(lǐng)域引起了一定的關(guān)注。目前，幾種鉍基納米材料，如Bi4NbO8Cl、Bi2S3、BiOI和Bi2O2S，已被用于制備絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器。

鈣鈦礦材料具有吸收系數(shù)大和載流子遷移率高的特點。然而，由于它們在水溶液中會快速降解，因此很少被用于生物分析。研究人員合成了一種具有耐水性的鈣鈦礦材料Bi4NbO8Cl。然后，利用Bi4NbO8Cl作為光吸收劑，紙基TiO2納米片陣列（PTNAs）作為電子傳輸材料，Co-Pi作為空穴傳輸材料，制備了PTNAs/Bi4NbO8Cl/Co-Pi光電極。在內(nèi)置電場的驅(qū)動下， Bi4NbO8Cl的光生電子被PTNAs迅速提取，而光生空穴則轉(zhuǎn)移到Co-Pi，實現(xiàn)了高效的電荷載流子分離。得益于這種雙向調(diào)制電荷載流子的策略，PTNAs/Bi4NbO8Cl/Co-Pi光電極實現(xiàn)了對β人絨毛膜促性腺激素的超靈敏檢測，檢測限為0.005 IU?L?1 93。

Bi2S3因其寬廣的可見光響應(yīng)范圍、易于制備、低毒性和良好的生物相容性而受到廣泛關(guān)注29。研究人員在自制的3D絲網(wǎng)印刷紙基電極上開發(fā)了一種便攜式近紅外驅(qū)動的PEC生物傳感器，用于對多種病原體進(jìn)行靈敏檢測。Bi2S3和Cu2O分別被選為光陽極和光陰極材料，同時，重組酶聚合酶擴(kuò)增（RPA）技術(shù)被用來對目標(biāo)DNA進(jìn)行高效擴(kuò)增以實現(xiàn)信號的放大。該生物傳感器能夠在37 °C下20min內(nèi)同時對大腸桿菌O157：H7和金黃色葡萄球菌進(jìn)行超靈敏檢測94。

氧鹵化鉍（BiOX，X = F、Cl、Br和I）是一種新型的三元無機(jī)半導(dǎo)體，具有良好的光吸收性、耐腐蝕性和可調(diào)節(jié)的帶隙。此外，BiOX的獨特層狀結(jié)構(gòu)使其能夠高效分離光生電子-空穴對，從而賦予其優(yōu)異的光催化活性6。作為典型的p型半導(dǎo)體，BiOI具有可見光活性和窄帶隙（～1.8 eV），使得它比BiOCl和BiOBr更廣泛地應(yīng)用于PEC分析95。研究人員以Ag2S量子點和BiOI@UCNPs分別作為抗體標(biāo)簽，在多通道紙基絲網(wǎng)印刷電極上構(gòu)建了一種近紅外響應(yīng)的PEC免疫傳感器，可同時檢測河豚毒素（TTX）和岡田酸（OA） 96。然而，BiOX的光電轉(zhuǎn)換效率低以及表面缺乏可用的功能基團(tuán)限制了其在PEC傳感中的應(yīng)用6。因此，研究人員提出了一種雙引擎驅(qū)動的紙基PEC傳感器，用于miRNA-141和miRNA-21的檢測（圖8a），其中，C3N4量子點敏化的ZnO納米星和BiOI納米球分別用作光陽極和光陰極的光活性材料，以放大光電流。在3D DNA納米機(jī)器介導(dǎo)的CRISPR/Cas12a剪切工具的參與下，C3N4量子點從電極表面脫落以淬滅信號。同時，電極的分區(qū)顯著減少了不同目標(biāo)之間的空間串?dāng)_97。

Bi2O2S是一種新興的二維層狀材料，它具有由頂部和底部的[Bi2O2]2+離子層以及中間的S2?插層構(gòu)成的類似三明治的結(jié)構(gòu)。這種獨特的結(jié)構(gòu)使得Bi2O2S具有窄的帶隙和優(yōu)異的光穩(wěn)定性98。此外，Bi2O2S在可見光下表現(xiàn)出優(yōu)異的電子傳輸性能和快速的光電響應(yīng)，使其在PEC傳感中具有很大的潛力。然而，Bi2O2S在PEC傳感中的應(yīng)用受到了光生電子-空穴對的高復(fù)合速率的限制99。因此，對Bi2O2S進(jìn)行改性成為提高其光電性能的有效途徑。結(jié)合便攜式手電筒（作為激發(fā)光源）、微型電化學(xué)工作站和智能手機(jī)， 研究人員在Co摻雜的Bi2O2S納米片功能化的絲網(wǎng)印刷電極上開發(fā)了一種便攜式的基于智能手機(jī)的PEC免疫傳感器，用于PSA的檢測（圖8b）。利用ALP催化策略生成AA來進(jìn)一步增強(qiáng)光電流，該免疫傳感器成功用于檢測低濃度的PSA，檢測限為71.2 pg?mL?1 99。

除了上述材料外，金屬也可以用作光活性材料。研究人員在金納米棒（AuNRs）功能化的絲網(wǎng)印刷電極上構(gòu)建了一種近紅外響應(yīng)的PEC適體傳感器，用于檢測血樣中的HepG2細(xì)胞100。

4 結(jié)論與展望

絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器因其低背景信號、高靈敏度和特異性、低成本以及易商業(yè)化等特點受到了廣泛關(guān)注。作為光電極最重要組的成部分，光活性納米材料極大地影響了PEC生物傳感器的性能。迄今為止，各種納米材料已被應(yīng)用于構(gòu)建絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器（圖9）。本綜述總結(jié)了絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器中光活性材料的設(shè)計的進(jìn)展，并重點關(guān)注了生物傳感器的信號增強(qiáng)策略。隨著納米材料的快速發(fā)展，絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器在過去十年取得了實質(zhì)性的進(jìn)展。然而，由于一些障礙和挑戰(zhàn)，絲網(wǎng)印刷PEC生物傳感器尚未商業(yè)化。以下將討論這些障礙和挑戰(zhàn)，為未來的方向提供參考。

4.1 電極

SPE是一種具有良好商業(yè)化前景的一次性電極。然而，由于技術(shù)限制，SPE的性能往往在不同批次之間甚至在同一批次內(nèi)都會有所差異，從而影響分析的準(zhǔn)確性。同時，印刷中使用的聚合物粘合劑會降低電極的電導(dǎo)性。因此，我們應(yīng)改進(jìn)SPE的制備技術(shù)，以確保電極的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。此外，多通道SPE仍處于初級階段，需要進(jìn)一步發(fā)展以實現(xiàn)未來的高通量檢測。

4.2 光活性材料

光活性材料是PEC生物傳感器中至關(guān)重要的組成部分，其性能（光電轉(zhuǎn)換效率和光穩(wěn)定性）直接影響初始信號輸出。目前，用于制備絲網(wǎng)印刷PEC傳感器的主要光活性材料包括金屬氧化物、金屬硫族化合物、碳納米材料和鉍基納米材料。這些材料要么具有毒性（例如CdS和CdTe），要么具有較寬的帶隙（金屬氧化物），或者具有較高的電子空穴對復(fù)合速率，因此需要復(fù)雜的程序，如形貌調(diào)控、元素?fù)诫s和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，來改善其光電性能。因此，開發(fā)無毒、低成本、高光電轉(zhuǎn)換效率、長期穩(wěn)定性、良好生物相容性和可大規(guī)模生產(chǎn)的新型光活性材料仍然是未來研究的重點。此外，開發(fā)的光活性材料應(yīng)具有可見光或近紅外光響應(yīng)，以避免對PEC生物傳感器的生物識別組分造成損害。

4.3 信號放大策略

為了獲得高靈敏度的絲網(wǎng)印刷PEC傳感器，通常需要將高性能光電極與各種信號放大策略相結(jié)合。目前，PEC免疫傳感器通常采用酶標(biāo)記放大（ELA）策略，而PEC適體傳感器則采用PCR、RCA和HCR策略。其中，ELA涉及繁瑣的標(biāo)記過程，而PCR需要特定的引物和嚴(yán)苛的溫度條件。相比之下，RCA被認(rèn)為是一種簡單的等溫信號放大策略。未來，我們應(yīng)開發(fā)和應(yīng)用在溫和條件下更簡單、更有效的信號放大策略。

4.4 集成與應(yīng)用

PEC傳感器的制備通常需要高功率的氙燈光源和笨重的電化學(xué)檢測系統(tǒng)。為了促進(jìn)PEC傳感器的集成和小型化，一些研究已經(jīng)使用手電筒取代氙燈光源，甚至通過組裝化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)避免了外部光源的使用。同時，電化學(xué)檢測系統(tǒng)已經(jīng)可以被數(shù)字電表結(jié)合電容器（或智能手機(jī)結(jié)合集成電路板）取代。目前，光電極和上述組件的集成已經(jīng)導(dǎo)致了便攜式PEC設(shè)備的出現(xiàn)，其中一些可以用于高通量檢測。然而，絲網(wǎng)印刷PEC傳感器主要用于體外樣品檢測，目前的技術(shù)水平仍然缺乏用于實時監(jiān)測的可穿戴和柔性的PEC傳感器。此外，絲網(wǎng)印刷PEC傳感器仍處于實驗室階段，在商業(yè)化之前還有很長的路要走。我們希望通過相關(guān)研究人員的持續(xù)努力，能夠在不久的將來解決絲網(wǎng)印刷PEC傳感器的當(dāng)前挑戰(zhàn)和問題，并真正生產(chǎn)出商業(yè)化的PEC傳感器設(shè)備造福于人類社會（特別是資源有限的發(fā)展中地區(qū)）。