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

摘要： 為了檢測人表皮生長因子受體2，構(gòu)建一種新型的自供電光電化學傳感器；以銦鋅硫化物、 銦鎂硫化物、 鈉離子、 鉀離子摻雜的亞甲基藍（MB）敏化的碳化氮復合物ZnIn2S4/MgIn2S4/NaKC3N4-MB作為光電陽極，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、 透射電子顯微鏡對復合物進行表征，并進行光電化學檢測。結(jié)果表明： 光活性ZnIn2S4/MgIn2S4/NaKC3N4-MB光電陽極中異質(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，能夠作為對電極為傳感系統(tǒng)提供電子； 集成的光電陽極和光電陰極的自供電光電化學檢測模式可消除生物樣品中還原性物質(zhì)的干擾，顯著提高光電化學傳感器的抗干擾能力及檢測靈敏度，檢測質(zhì)量濃度范圍為5×10-5～200 mg/L，檢測限為0.015 6 ng/L。

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

中圖分類號： O69

文獻標志碼： 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［1］。其中，約20%～25%的乳腺癌是由人表皮生長因子受體2（HER2）基因擴增或相關(guān)HER2跨膜受體蛋白過度表達引起的，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，參與多種細胞過程，在許多生理過程中發(fā)揮重要作用［5-7］； 然而， 過表達的HER2具有致癌活性， 并且過表達的HER2易位到細胞核和線粒體的非典型功能進一步導致致癌信號傳導多樣化， 因此， HER2是眾多乳腺癌標志物中的一種。 目前， 雖然針對HER2+型乳腺癌的HER2抑制劑已經(jīng)研制出來， 但在具有顯著治療益處的同時， 其獲得性耐藥性也不容忽視。 最為致命的是， 這些抑制劑對患者體內(nèi)的HER2水平幾乎甚至沒有影響，因此，開發(fā)靈敏、 簡便的檢測方法，更快速、 準確地檢測人體內(nèi)的HER2水平，對乳腺癌患者能夠早期診斷和及時有效治療具有重要意義。

電化學檢測方法具有響應(yīng)快速、成本低、操作簡單的優(yōu)點，是一種在眾多領(lǐng)域的目標物檢測中應(yīng)用廣泛的技術(shù)工具。由于電化學分析技術(shù)以及與光化學結(jié)合的光電化學（PEC）檢測技術(shù)的激發(fā)信號與檢測信號不同，因此具有靈敏度高和背景信號弱的顯著優(yōu)勢［8］。傳統(tǒng)的PEC傳感器根據(jù)輸出的光電流信號可分光電陽極傳感器及光電陰極傳感器，但是單一光電陽極的空穴氧化反應(yīng)、光電陰極的弱光電響應(yīng)等問題無法避免［9］。為了解決這些問題，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，光電陽極通過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，實現(xiàn)光電陰極光電信號的放大，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)計自供電PEC傳感器時，尋找化學性質(zhì)穩(wěn)定、 費米能級合適的光敏材料來構(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、 化學性能出色的優(yōu)勢在光電化學傳感領(lǐng)域具有很高的研究價值［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、 光學和電學性能優(yōu)異的優(yōu)點［17］； 但是三元金屬硫化物存在空穴-電子復合率高、 光腐蝕嚴重的問題，導致這類材料的PEC性能不理想［18-20］，因此，實現(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擴展其在PEC領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。與其他半導體納米材料結(jié)合，構(gòu)建高質(zhì)量異質(zhì)結(jié)構(gòu)來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與能級匹配的In2O3、 MnTiO3半導體材料結(jié)合形成In2O3/ZnIn2S4/MnTiO3異質(zhì)結(jié)具有強而穩(wěn)定的光電流，光電性能顯著改善。碳氮化合物g-C3N4光生載流子復合嚴重，可見光響應(yīng)差，導致其光電轉(zhuǎn)換效率較低，但Na+、 K+共摻雜的g-C3N4（NaKC3N4）的可見光利用效率顯著提高。另外，采用亞甲基藍（MB）作為敏化劑與NaKC3N4結(jié)合，可使其PEC信號進一步增強。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，在電化學領(lǐng)域備受關(guān)注［23］。由于具有強的超順磁性，因此基于Fe3O4的納米復合材料易于分離，在凈化檢測系統(tǒng)的同時還可以提高檢測的靈敏度。供體-受體（D-A）共軛聚合物材料可通過分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生光電流及無需額外的電子供體或受體，具有優(yōu)異的光電性能。共價有機框架（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（MB）敏化的碳化氮復合物ZnIn2S4/MgIn2S4/NaKC3N4-MB納米復合材料作為光電陽極，PPhECu作為光電陰極，F(xiàn)e3O4@D-A COF作為檢測抗體標記物，構(gòu)建了一種自供電PEC傳感器用于HER2的檢測。

1實驗

1.1儀器與試劑

實驗所用的設(shè)備包括： AXS D8型X射線衍射儀（XRD），德國Bruker公司； Gemini 300型掃描電子顯微鏡（SEM），德國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Therofisher公司； VERTEX70型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），德國Bruker公司； Zennium PP211型電化學工作站，德國Zahner公司； CHI760E型光電化學工作站，上海辰華儀器有限公司； TU-1901型紫外-可見光譜分析儀，北京普析通用儀器有限責任公司。

實驗用材料和試劑包括：人表皮生長因子受體2（HER2）、 一級抗體（Ab1）、 二級抗體（Ab2），武漢精細生物技術(shù)有限公司； 氧化銦錫（ITO）導電玻璃，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（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有限責任公司； 氯化鋅ZnCl2、 六水氯化鐵FeCl3·6H2O，國藥集團化學試劑有限公司； 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，天津市科密歐化學試劑有限公司； 乙腈C2H2N，天津市富宇精細化工有限公司； 光電響應(yīng)測試采用的電解質(zhì)為磷酸鹽緩沖液（PBS）緩沖溶液（KH2PO4、 Na2HPO4的濃度均為0.1 mol/L）。實驗過程中所有試劑均為分析級試劑，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。恢復至室溫后，將反應(yīng)產(chǎn)物用超純水、無水乙醇洗滌多次，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對目標產(chǎn)物Cu2（OH）3OAc·H2O的生成至關(guān)重要， pH偏小則堿式乙酸銅無法生成， pH偏大則反應(yīng)產(chǎn)物是Cu（OH）2，無法得到目標產(chǎn)物。上述溶液在室溫下攪拌2 h，老化過夜。將所得物質(zhì)洗滌、 真空干燥處理后，得到藍色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無水甲醇中，置于35 ℃油浴中保持48 h。用超純水、 無水乙醇對反應(yīng)產(chǎn)物進行離心洗滌，經(jīng)干燥、 研磨后得到黃色的目標產(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個離心管離心洗滌。 第1次離心洗滌時不加入其他試劑，第2次離心洗滌時用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)量分數(shù)為1%的PBS溶液孵育1 h以封閉非特異性活性位點。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。孵育過程進行下一步驟前，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傳感器的測試

在不含有電子供體的10 mL PBS溶液（pH=7.4）中測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，光電陽極為對電極，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（波長為400～700 nm），每個周期光源開關(guān)的時間間隔為10 s，運行時間為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)庫標準卡片（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的吸收峰對應(yīng)于苯環(huán)的伸縮振動， 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的中等強度的吸收峰與單取代苯環(huán)上CH面內(nèi)變角振動相對應(yīng)， 波數(shù)為1 930 cm-1的吸收峰歸因于C≡C—Cu的伸縮振動， 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的特征峰說明Mg元素是以+2價氧化態(tài)存在。 在In 3d譜圖［見圖3（b）］中， 結(jié)合能為444.35、 451.93 eV的特征峰分別對應(yīng)于In 3d5/2、 In 3d3/2， 證明In元素為+3價態(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價態(tài)。

圖4（a）中可看出，在PPhECu中僅存在C、 Cu元素，無其他雜質(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，分別對應(yīng)PPhECu中烯烴和苯環(huán)上的碳，證明C元素為-1價態(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，并且無其他特征峰出現(xiàn)，表明PPhECu中Cu元素為+1價態(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)則團塊組成的略顯松散的結(jié)構(gòu)， 這要歸因于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，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，對設(shè)計的自供電PEC傳感系統(tǒng)開展光電響應(yīng)測試時所使用的電解質(zhì)溶液，即不含任何電子供體的PBS溶液進行酸堿度的選擇， 結(jié)果見圖9（a）。從圖中可以看出，溶液的pH為7.4時，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試的電解質(zhì)溶液。用于構(gòu)建自供電傳感平臺的幾種光活性材料含量的最優(yōu)化篩選結(jié)果見圖9（b）、 （c）、 （d）。在優(yōu)化篩選時，第1層光電陽極材料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，當光電陰極材料PPhECu的質(zhì)量濃度為5 g/L時，陰極光電流達到峰值。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驗參數(shù)。

采用優(yōu)化的實驗參數(shù)，測試所構(gòu)建的自供電PEC傳感器的光電陰極的層層修飾過程的電化學阻抗譜EIS和光電響應(yīng)，結(jié)果見圖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）中測試交流阻抗，結(jié)果見圖10（a）。由圖可見：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)合后電極阻抗進一步增大（曲線c）。當BSA、 Ag、 Fe3O4@D-A COF-Ab2依次修飾于電極時，阻抗不斷增大（曲線d、 e、 f）。圖10（b）中的光電響應(yīng)測試結(jié)果也很好地佐證了光電陰極修飾過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，導致光電流信號不斷減小。當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，導致陰極信號增大。綜上，EIS、 PEC響應(yīng)測試結(jié)果均表明自供電PEC傳感器各個傳感元件組裝成功。

2.3光電流產(chǎn)生機制

光活性材料ZnIn2S4、 MgIn2S4、 NaKC3N4-MB、 PPhECu的固體紫外漫反射光譜見圖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，分別測試不同材料的Mott-Schottky曲線， 結(jié)果見圖12。 結(jié)果顯示， 對比氫標準電極， ZnIn2S4、 MgIn2S4、 NaKC3N4-MB、 PPhECu平帶電勢Efb［對比氫標準電極（NHE）］分別為-0.62、 -0.82、 -1.03、 1.17 eV。n型半導體的Efb比導帶電勢ECB高約0.1 eV，而p型半導體的Efb比價帶電勢EVB低約0.1 eV，由此可得ZnIn2S4、 MgIn2S4、 NaKC3N4-MB的ECB（對比NHE）分別為-0.72、 -0.92、 -1.13 eV， PPhECu的EVB（對比NHE）為1.27 eV。 根據(jù)Eg、 ECB或EVB的數(shù)值，可計算ZnIn2S4、 MgIn2S4、NaKC3N4-MB的EVB（對比NHE）分別為1.68、1.34、 1.54 eV，PPhECu的ECB（對比NHE）為-1.09 eV。

自供電PEC傳感器檢測HER2的可能的光生載流子轉(zhuǎn)移機制如圖13所示。光活性材料在激發(fā)光源的照射下被激發(fā)，光生電子從價帶轉(zhuǎn)移至導帶。對于光電陽極而言，NaKC3N4-MB導帶上的光生電子轉(zhuǎn)移至MgIn2S4的導帶，進而轉(zhuǎn)移至ZnIn2S4的導帶，最終到達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-空穴對的復合。光電陽極與光電陰極之間存在的電位差，驅(qū)動光生電子從外電路輸送到光電陰極。對于光電陰極而言，當抗原抗體特異性結(jié)合后，二抗標記物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帶轉(zhuǎn)移至導帶外，供體結(jié)構(gòu)中導帶上的光生電子也會轉(zhuǎn)移至受體結(jié)構(gòu)的導帶。另外，PPhECu中的光生電子也會從導帶轉(zhuǎn)移至Fe3O4@D-A COF的導帶，F(xiàn)e3O4@D-A COF價帶上的光生空穴則轉(zhuǎn)移至PPhECu的價帶。光生載流子的有效分離使得光電陰極信號放大，提高了PEC傳感器的靈敏度。

2.4HER2的PEC分析

在優(yōu)化的實驗參數(shù)條件下，不同含量的HER2與抗體實現(xiàn)特異性識別， 從而產(chǎn)生不同的光電流信號，結(jié)果見圖14。從圖14（a）可以看出，當HER2的質(zhì)量濃度為5×10-5～200 mg/L時，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。進一步分析發(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）的對數(shù)呈線性相關(guān)，線性擬合表達式為I=-1.68-0.25lg ρ（HER2）， 決定系數(shù)R2為0.997 6，檢測限低至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、 特異性是評估傳感器的3個重要性能指標。所構(gòu)建的自供電PEC傳感器的穩(wěn)定性測試結(jié)果見圖15（a）。在光源照射下，對PEC傳感器進行13次開關(guān)燈測試，結(jié)果顯示傳感器的光電流曲線形狀及PEC信號在整個開關(guān)燈循環(huán)過程中沒有顯著差異，傳感器的穩(wěn)定性良好。在相同的實驗條件下，測試6個經(jīng)相同處理的ITO電極的光電信號以表征傳感器的重現(xiàn)性能，結(jié)果見圖15（b）。結(jié)果顯示，不同電極光電流數(shù)值的相對標準偏差（RSD）為2.72%，傳感器的重現(xiàn)性良好。選擇常用腫瘤標志物CD44、 CA125和CA153作為干擾物質(zhì)來評估傳感器的特異性能，結(jié)果見圖15（c）。由圖可以看出，在上述干擾物質(zhì)存在時，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

為了驗證所構(gòu)建的自供電PEC傳感器的可行性，采用優(yōu)化的實驗參數(shù)，在人體血清樣品中加入不同量的HER2，采用標準加入法進行樣品分析，結(jié)果見表1。由表可見，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敏化的碳化氮復合物ZnIn2S4/MgIn2S4/NaKC3N4-MB作為光電陽極，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，得到如下結(jié)論：

1）抗原抗體特異性識別過程發(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)，采用光電陽極取代傳統(tǒng)的鉑電極作為輔助電極，利用光電陽極與光電陰極之間的電位差驅(qū)動光電陽極的光生電子經(jīng)外電路傳輸至光電陰極，顯著提高了傳感器的PEC響應(yīng)和檢測靈敏度。

3）采用Fe3O4@D-A COF作為二抗標記物，獨特的D-A共軛結(jié)構(gòu)及與PPhECu良好的帶隙能級匹配，實現(xiàn)了傳感器陰極信號的放大。采用優(yōu)化的實驗參數(shù)，所構(gòu)建的自供電PEC傳感器的檢測質(zhì)量濃度范圍為5×10-5～200 mg/L，檢測限為0.015 6 ng/L，檢測靈敏度較高， 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。

參考文獻：

［1］BRAS-MARISTANY F， GRIGUOLO G， PASCUAL T， et al. PhenotypicchangesofHER2-positivebreastcancerduringandafter dualHER2blockade［J］.NatureCommunications，2020，11（1）： 385.

［2］FAUREC，DJERBI-BOUILLIR，DOMINGOTA，etal.Allosteric inhibitionofHER2bymoesin-mimickingcompoundstargets HER2-positive cancers and brain metastases［J］. Cancer Research， 2021， 81（21）： 5464.

［3］HAMILTONE，SHASTRYM，SHILLERSM，etal.TargetingHER2heterogeneityinbreastcancer［J］.CancerTreatmentReviews， 2021， 100： 102286.

［4］ULANER G A， CARRASQUILLO J A， RIEDL C C， et al. Identification of HER2-positive metastases in patients with HER2-negativeprimarybreast cancerbyusingHER2-targeted 89Zr-pertuzumab PET/CT［J］. Radiology， 2020， 296（2）： 370.

［5］BANG K， CHEON J， PARK Y S， et al. Association between HER2heterogeneityandclinicaloutcomesofHER2-positivegastric cancer patients treated with trastuzumab［J］. Gastric Cancer， 2022， 25（4）： 794.

［6］ZHANG Y S. The root cause of drug resistance in HER2-positive breastcancerandthetherapeuticapproachestoovercoming the resistance［J］.Pharmacologyamp;Therapeutics，2021，218：107677.

［7］LIU Q， BORCHERDING N C， SHAO P， et al. Contribution of synergismbetweenPHF8andHER2signallingtobreast cancer development and drug resistance［J］. EBioMedicine， 2020， 51： 102612.

［8］SUI C J， WANG T T， ZHOU Y L， et al. Photoelectrochemical biosensor for hydroxymethylated DNA detection and T4-glucosyltransferase activity assay based on WS2 nanosheets and carbon dots［J］. Biosensors and Bioelectronics， 2019， 127： 38.

［9］KIM K， KIM H， JO E J， et al. Reactant/polymer hybrid films on p-n junction photodetectors for self-powered， non-invasive glucose biosensors［J］.BiosensorsandBioelectronics，2021，175：112855.

［10］HE Y H， SUN J， YAO W Q， et al. A self-powered photoelectrochemical molecular imprinted sensor for chloroquine phosphate withenhancedcathodicphotocurrentviasteppedenergyband alignment engineering［J］. Chemical Engineering Journal， 2023， 451： 138748.

［11］LU K N， HONG C H， LIU D Q， et al. A self-powered molecular imprinted photoelectrochemical sensor for streptomycin cathodic detectionbasedonasignalamplificationofZnO/ZnS/Ag2Sphotoanode［J］. Sensors and Actuators： B： Chemical， 2022， 371： 132588.

［12］XIJJ，WANGH，ZHANGBH，etal.Novel molecularly imprinted photoelectrochemical sensor for rutin based on Bi2S3/ZnIn2S4 heterojunction［J］. Sensors and Actuators： B： Chemical， 2020， 320： 128409.

［13］YANG H C， CAO R Y， SUN P X， et al.Constructingelectrostaticself-assembled2D/2Dultra-thinZnIn2S4/protonatedg-C3N4 heterojunctionsforexcellentphotocatalytic performance under visible light［J］. Applied Catalysis： B： Environmental， 2019， 256： 117862.

［14］ZHAN X Q， ZHENG Y P， LI B， et al. Rationally designed Ta3N5/ZnIn2S4 1D/2D heterojunctions for boosting visible-light-driven hydrogen evolution［J］. Chemical Engineering Journal， 2022， 431： 134053.

［15］QIUJH，LIM，XUJ，etal.Bismuth sulfide bridged hierarchical Bi2S3/BiOCl@ZnIn2S4forefficientphotocatalyticCr（VI） reduction［J］. Journal of Hazardous Materials， 2020， 389： 121858.

［16］ZHU Q， SUN Y K， XU S， et al. Rational design of 3D/2D In2O3 nanocube/ZnIn2S4 nanosheet heterojunction photocatalyst with large-area “high-speed channels” for photocatalytic oxidation of 2， 4-dichlorophenol under visible light［J］. Journal of Hazardous Materials， 2020， 382： 121098.

［17］WANG L N， YAN P Y， CHEN H R， et al. Augmenting reactive species over MgIn2S4-In2O3 hybrid nanofibers for efficient photocatalytic antibacterial activity［J］. Journal of Materials Science amp; Technology， 2024， 176： 83.

［18］YANGLW，LIUXQ，LILL， et al. A visible light photoelectrochemicalsandwichaptasensorforadenosinetriphosphatebased on MgIn2S4-TiO2 nanoarray heterojunction［J］. Biosensors and Bioelectronics， 2019， 142： 111487.

［19］JING L Q， XU Y G， XIE M， et al. Three dimensional polyaniline/MgIn2S4 nanoflower photocatalysts accelerated interfacial charge transfer for the photoreduction of Cr（VI）， photodegradation of organic pollution and photocatalytic H2 production［J］. Chemical Engineering Journal， 2019， 360： 1601.

［20］SWAIN G， SULTANA S， PARIDA K. Constructing a novel surfactant-free MoS2 nanosheet modified MgIn2S4 marigold microflower： an efficient visible-light driven 2D-2D p-n heterojunction photocatalyst toward HER and pH regulated NRR［J］. ACS Sustainable Chemistry amp; Engineering， 2020， 8（12）： 4848.

［21］WEN Y X， LIU S G， TAO B X， et al. A signal-off photocathode biosensor based on a novel metal-organic polymer for the detection of glucose［J］. Sensors and Actuators： B： Chemical， 2020， 304： 127279.

［22］CHEN Q T， RONG S H， CEN Y， et al. A facile fluorescent sensor based on carbon dots and Fe3O4nanoplatesforthedetectionofhyaluronidaseactivity［J］.SensorsandActuators：B：Chemical， 2021， 346： 130434.

［23］TAJIK S， BEITOLLAHI H， JANG H W， et al. A screen printed electrode modified with Fe3O4@polypyrrole-Pt core-shell nanoparticles for electrochemical detection of 6-mercaptopurine and 6-thioguanine［J］. Talanta， 2021， 232： 122379.

（責任編輯：于海琴）

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

基金項目： 國家自然科學基金項目（22274062）

第一作者簡介： 盧鵬（1966—），女，山東即墨人。高級工程師，研究方向為食品藥品檢驗。E-mail： lupeng7896@163.com。

通信作者簡介： 陳金貴（1997—），男，山東臨沂人。博士研究生，研究方向為光電化學傳感器。E-mail： chenjingui1207@163.com。

張諾（1985—），女，山東濟南人。高級實驗師，博士，研究方向為光電化學傳感器。E-mail： chm_zhangn@ujn.edu.cn。

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