任 偉, 李 靜

(1. 吉林建筑大學(xué)， 吉林 長春 130118；2. 吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130012)

1 引 言

隨著社會(huì)的迅速發(fā)展，人類的健康問題也越來越受到關(guān)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(jì)報(bào)告》(World Health Statistic 2018)，其中，在由于非傳染性疾病導(dǎo)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(guān)鍵就在于發(fā)現(xiàn)早期腫瘤，主要途徑有兩個(gè)：一是通過早期腫瘤標(biāo)志物的異常檢測；二是找到合適的快速準(zhǔn)確檢測方法[1-4]。與此同時(shí)，光電化學(xué)生物傳感器迅速興起，并因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成為一種備受矚目的新型生物傳感器[5-7]。光電化學(xué)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(biāo)志物的異常變化通過可見信號展現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上，從而實(shí)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(xué)家Clark等[9]提出將生物分子和傳感器結(jié)合的設(shè)想，為生命科學(xué)研究開辟了新的道路。到二十世紀(jì)七十年代時(shí)，多種類型的生物傳感器被研發(fā)出來，更引起了各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)家的重視，使得生物傳感器成為現(xiàn)代生物技術(shù)中的重要研究領(lǐng)域之一[8,10-11]。本文將主要介紹光電化學(xué)生物傳感器。

2 光電化學(xué)生物傳感器的概念及基本原理

2.1 光電化學(xué)生物傳感器的概念

光電化學(xué)(PEC)過程是指在光的作用下，分子、離子以及半導(dǎo)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(shí)實(shí)現(xiàn)了將光能轉(zhuǎn)化為電能。光電化學(xué)生物傳感器就是將光電化學(xué)與生物傳感相結(jié)合，利用光電化學(xué)活性材料的轉(zhuǎn)換特性而新興的一種檢測技術(shù)[12-13]。光電化學(xué)生物傳感器定量檢測早期腫瘤標(biāo)志物，就是通過生物識(shí)別過程前后所產(chǎn)生的光電流或光電壓的變化與待測標(biāo)志物濃度之間的線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。而光電化學(xué)檢測實(shí)際上就是電化學(xué)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(xué)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(xué)生物傳感器的基本原理

光電化學(xué)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(gè)工作電極(WE)、一個(gè)對電極(CE)和一個(gè)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(xué)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(xué)活性材料，而當(dāng)電極表面的目標(biāo)識(shí)別元件同待測標(biāo)志物結(jié)合后，發(fā)生新的氧化或還原反應(yīng)，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(yīng)通過可見信號的形式呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上，并且光電化學(xué)生物傳感器檢測的響應(yīng)信號與待測標(biāo)志物的濃度變化存在一定的函數(shù)關(guān)系[4-5,7]。因此，利用光電化學(xué)生物傳感器檢測信號的變化，我們可以預(yù)估計(jì)算目前標(biāo)志物的濃度，從而實(shí)現(xiàn)對標(biāo)志物的定量檢測，這就是光電化學(xué)生物傳感器的基本工作原理。

光電化學(xué)活性材料在被光激發(fā)時(shí)，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(xué)活性材料內(nèi)部的導(dǎo)帶與價(jià)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(dāng)修飾在光電化學(xué)生物傳感器電極上的光電化學(xué)活性材料為n型半導(dǎo)體材料時(shí)，材料導(dǎo)帶上的電子會(huì)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)電襯底上，電解質(zhì)提供電子填充價(jià)帶上產(chǎn)生的空穴，而光電化學(xué)生物傳感器產(chǎn)生陽極光電流，如圖2(a)所示；(2)當(dāng)修飾在光電化學(xué)生物傳感器電極上的光電化學(xué)活性材料為p型半導(dǎo)體材料時(shí)，材料導(dǎo)帶上的電子會(huì)轉(zhuǎn)移到電解質(zhì)溶液中，導(dǎo)電襯底提供電子填充價(jià)帶上產(chǎn)生的空穴，而光電化學(xué)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(xué)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(xué)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(shí)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的原理圖。

3 光電化學(xué)生物傳感器的分類及應(yīng)用

光電化學(xué)生物傳感器根據(jù)得到響應(yīng)信號的不同，主要分為兩類：電位型光電化學(xué)生物傳感器和電流型光電化學(xué)生物傳感器[10-11]。目前，電位型光電化學(xué)生物傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在了各種生物領(lǐng)域，例如DNA、細(xì)胞、酶等。而電流型光電化學(xué)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(xué)生物傳感器的分類及應(yīng)用。

對于電流型光電化學(xué)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(biāo)記物又將其分為無標(biāo)記型光電化學(xué)生物傳感器和有標(biāo)記型光電化學(xué)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(biāo)志物。如果電極修飾有信號放大作用的標(biāo)志物，那測得的響應(yīng)信號會(huì)得到進(jìn)一步放大，更有利于下一步的檢測和觀察。與此同時(shí)，修飾具有信號放大作用標(biāo)志物的有標(biāo)記型光電化學(xué)生物傳感器對于檢測早期腫瘤標(biāo)志物具有更高的靈敏度[5]。

3.1 無標(biāo)記型光電化學(xué)生物傳感器

無標(biāo)記型光電化學(xué)生物傳感器是將光電化學(xué)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(shí)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(xué)活性材料，將其修飾在ITO導(dǎo)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(xué)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(xué)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(xué)生物傳感器具有理想的選擇性、重復(fù)性和穩(wěn)定性，在光電化學(xué)分析重金屬離子、有機(jī)污染物和生物分子方面也具有廣闊的應(yīng)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(jìn)技術(shù)制備出新型高質(zhì)量ZnO IOPC/Ag/NaYF4∶Yb，Tm復(fù)合薄膜，用于檢測甲胎蛋白。在該復(fù)合薄膜材料中，ZnO反蛋白石和銀的表面等離子體共振反應(yīng)能很大程度上增強(qiáng)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(jìn)一步被ZnO反蛋白石結(jié)構(gòu)吸收，產(chǎn)生光電化學(xué)響應(yīng)，該光電化學(xué)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(gòu)具有更高的比表面積以及銀膜的電導(dǎo)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(xué)生物傳感器對于其他癌癥標(biāo)志物的檢測也具有著臨床與生物學(xué)分析應(yīng)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(xué)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(shè)計(jì)了一種基于摻雜Ce的CdS納米粒修飾石墨烯/BiYWO6光電化學(xué)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(qiáng)光電化學(xué)強(qiáng)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(jìn)電荷轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)電流響應(yīng)，同時(shí)抑制電子-空穴復(fù)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(jìn)一步促進(jìn)載流子的分離和轉(zhuǎn)移。在最佳條件下，這個(gè)光電化學(xué)生物傳感器對于四環(huán)素的檢測限能夠達(dá)到0.01 ng/mL，同時(shí)具有良好的可重復(fù)性、選擇性和穩(wěn)定性。

無標(biāo)記型光電化學(xué)生物傳感器制備的關(guān)鍵就在于制備出具有良好性能的光電化學(xué)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(xué)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(biāo)記型光電化學(xué)生物傳感器的構(gòu)建過程

3.2 有標(biāo)記型光電化學(xué)生物傳感器

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

Wang等[14]以WO3/CdS/PDA納米復(fù)合材料作為光電化學(xué)活性材料，制備出了雙抗體結(jié)構(gòu)的免疫傳感器，如圖6所示。其中，PDA@carbon納米管就是這個(gè)標(biāo)記型光電化學(xué)生物傳感器的信號放大標(biāo)記物，同時(shí)WO3/CdS/PDA復(fù)合結(jié)構(gòu)也增強(qiáng)了光電流響應(yīng)。這種夾層型光電化學(xué)生物傳感器有良好的線性關(guān)系，在最佳條件下，檢測濃度范圍達(dá)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(fù)性和穩(wěn)定性，有望在胰島素或其他生物標(biāo)志物的臨床診斷中得到應(yīng)用。

圖6 夾層型光電化學(xué)生物傳感器的制備原理圖

Chen等[19]以純CdSe量子點(diǎn)作為光電化學(xué)活性材料，將其修飾在電極表面，制備了層層型光電化學(xué)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(biāo)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(shí)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(shí)驗(yàn)室檢測人血漿中AFP和其他腫瘤標(biāo)志物，用于癌前篩查或癌癥監(jiān)測。

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

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

Wang等[20]構(gòu)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(xué)免疫生物傳感器，構(gòu)建過程如圖8所示。將金納米粒(Au)負(fù)載到海膽狀的WO3表面作為光電化學(xué)活性材料，再將Ca粒子摻雜到CdSe上，同時(shí)與還原氧化石墨烯(rGO)結(jié)合，作為信號放大探針。在這個(gè)光電化學(xué)生物傳感器中，Au納米粒能夠與抗體的—NH2化學(xué)鍵結(jié)合，固定住更多的抗體，同時(shí)加入rGO和Ca粒子可以有效提高CdSe納米粒子的導(dǎo)電性，抑制電子-空穴的復(fù)合，從而提高光電流轉(zhuǎn)換效率。構(gòu)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(biāo)記物捕獲固定在電極表面，利用敏化作用進(jìn)一步增強(qiáng)光電流強(qiáng)度。在最佳檢測條件下，制備的這種光電化學(xué)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(guān)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(xué)免疫生物傳感器在臨床診斷中具有應(yīng)用潛力。

圖8 光電化學(xué)夾心型免疫生物傳感器的構(gòu)建過程

4 光電化學(xué)生物傳感器發(fā)展展望

癌癥發(fā)病率的升高所導(dǎo)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(shí)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(xué)生物傳感器這種新興的檢測技術(shù)，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(xué)生物傳感器優(yōu)于傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器以及酶傳感器等[1,20,22-25]。再加上光電化學(xué)生物傳感器的設(shè)備操作簡單，成本相對較低，因此可以繼續(xù)研究應(yīng)用到早期癌癥的檢測診斷，甚至可以設(shè)計(jì)便攜式儀器更方便檢測。因此，尋找更多適合于光電化學(xué)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(xué)生物傳感器的靈敏度[5]。此外，應(yīng)該更詳細(xì)地研究和設(shè)計(jì)光電化學(xué)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(xué)生物傳感器具有長期穩(wěn)定性和優(yōu)越性，以便實(shí)現(xiàn)光電化學(xué)生物傳感器的商業(yè)化應(yīng)用[5,7,26]。