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特约分享:郑州大学杨县超等人在钙钛矿光电晶体管比色生物传感领域的突破性进展

2026-05-09 04:58:23

本期特邀分享：郑州大学杨县超副教授发表在《Analytical Chemistry》的一篇最新研究工作。文章题为“Sensitive Colorimetric Biosensors Based on Perovskite Heterojunction Phototransistors”。该研究提出一种基于钙钛矿异质结光电晶体管（PHP）的比色生物传感器，利用其三端器件固有的信号放大能力以及光调控能力，实现了对人免疫球蛋白G（IgG）和葡萄糖的超灵敏检测，检测限分别低至0.24 pM和25.1 nM，动态范围跨越6个数量级，且具备高特异性、低成本、操作简便等优势，为疾病早期诊断和即时检测提供了全新解决方案。

—思路来源—

实现对人IgG和葡萄糖的高灵敏度、特异性检测对疾病的早期诊断和疗效评价具有重要意义，传统ELISA和PCR等方法虽然灵敏可靠，但操作复杂、成本高，难以满足现场快速检测需求。相比之下，比色法因操作简单、结果直观、成本低廉等优点，在临床诊断、食品安全和环境监测等领域广泛应用。基于朗伯-比尔定律，光电晶体管通过显色反应引起的吸光度变化可实现待测分析物的定量检测。通过调节电场和光调控沟道载流子密度，光电晶体管具备高增益和内部信号放大能力，在生物检测领域表现出巨大应用潜力。钙钛矿材料因其高光吸收系数、可调节带隙和长载流子扩散长度成为理想的光敏层材料。为突破传统比色生物传感器灵敏度低和动态范围窄等局限性，本研究采用PCBM/MAPbI3异质结构建光电晶体管，利用电荷陷阱效应（CTE）实现对微弱光吸收变化的高灵敏度响应。

本研究以提升灵敏度、拓宽动态范围、简化系统为目标，提出采用PCBM/MAPbI3平面异质结结构。利用MAPbI3作为导电沟道和光敏层，PCBM作为电子受体层和界面钝化层，二者形成的II型异质结有效促进了激子解离和载流子分离。光生电子被捕获在PCBM中，空穴在MAPbI₃沟道中迁移形成光电流增益。该传感器在人IgG浓度100 pg/mL至100 μg/mL范围内呈现良好线性响应，灵敏度高，检测限低至0.24 pM。与近年文献报道的多种人IgG传感器相比，检测性能显著提升，可广泛应用于痕量生物分子检测领域。

—创新点—

1. 材料与结构创新实现高增益检测：采用PCBM/MAPbI₃异质结构建光电晶体管，利用电荷陷阱效应实现内部信号放大，显著提升对微弱比色信号的响应能力。

2. 实现超宽动态范围与超低检测限：传感器对IgG的检测限低至0.24 pM，动态范围跨越6个数量级，葡萄糖检测限达25.1 nM，优于多数现有比色传感器及其他类型的生物传感器。

3. 系统简化与实用性创新：无需复杂光学系统，结合酶联反应与3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）显色体系，实现低成本、便携式、高特异性检测。传感器具备良好的选择性和可重复使用潜力，适应即时检测（POCT）应用场景。

— 关键性成果—

图1. (a) PCBM-MAPbI₃光电晶体管结构示意图；(b) SEM图像；(c) PCBM-MAPbI₃光电晶体管能级图。

图2. (a) 仅MAPbI3层和(b) PCBM-MAPbI3层的AFM图像；(c) MAPbI3薄膜在旋涂PCBM前后的XRD谱图；(d) 仅MAPbI3层和PCBM-MAPbI3层的PL光谱；(e) 仅MAPbI3层和PCBM-MAPbI3层的TRPL光谱；(f) MAPbI3薄膜在旋涂PCBM前后的吸收光谱。

图3. (a) 人IgG的最终修饰方案；(b) 葡萄糖氧化酶（GOx）最终修饰示意图；(c) 修饰前石英玻璃衬底的AFM形貌图；(d) 石英玻璃衬底上抗体完全修饰后的AFM形貌图；(e) 葡萄糖修饰后的石英玻璃衬底AFM图像,扫描范围为2.00 μm × 2.00 μm；石英玻璃衬底表面功能化前后C1s峰(f)和N1s峰(g)的XPS光谱对比。

图4. (a) 光电晶体管的转移特性曲线；(b) 不同光密度功率下光电晶体管的转移特性曲线；(c) 对不同浓度人IgG的光响应；(d) 通过对数尺度数据进行线性拟合得到的校准曲线（ΔI vs. log [人IgG]）；(e) 对应不同葡萄糖浓度的光响应；(f) 得到的校准曲线（ΔI vs. log[葡萄糖]）。

图5. 传感器对目标物和干扰物质的电流响应

图6. (a) 器件在室温下储存1天、5天和10天后，对PBS溶液及浓度为1 μg/mL和1 ng/mL的人IgG的光学响应及传感性能评估；(b) 器件在室温下储存1天、5天和10天后，对PBS溶液及浓度为1 μM和1 nM的葡萄糖的光学响应及传感性能评估。

— 个人感悟—

本文研究了一种基于PCBM-MAPbI3异质结光电晶体管的比色生物传感器，用于人IgG和葡萄糖的高灵敏度、特异性检测。解决了晶体管生物传感器易受液体样品干扰问题，论证了异质结界面电荷陷阱效应对光电流增益和检测灵敏度的提升作用。在人IgG浓度为100 pg/mL至100 μg/mL范围内，传感器具有良好的线性响应，检测限为0.24 pM，葡萄糖检测限为25.1 nM，动态范围达6个数量级。此外，该传感器还具备高选择性、操作简便、成本低及系统简单等优点，为超低浓度生物分子检测提供了有效途径。未来可进一步优化钙钛矿材料的环境稳定性，探索新的封装策略，将其拓展至多重标志物并行检测与临床样本应用领域，推动便携式、高性能比色生物传感器的发展。

第一作者：郑州大学杨县超副教授

通讯作者：深圳技术大学李佳教授。

撰稿人:郑州大学杨县超副教授

责任编辑：四川大学机械工程学院分析仪器研究中心罗泽伟