暨南大学：铁电极化调控的自供电、高灵敏PEC型肿瘤标志物传感技术-电子发烧友网

恶性肿瘤的早期诊断与精准监测是临床医学与基础研究的核心挑战。癌胚抗原（CEA）作为结直肠癌、胃癌及乳腺癌等多种实体瘤的关键肿瘤标志物，其浓度异常升高与肿瘤负荷及进展显著相关。实现CEA的超灵敏检测，对早期筛查、疗效评估及个体化治疗策略制定具有重要临床价值。光电化学（PEC）生物传感技术凭借高信噪比（低背景干扰）与单光子级检测灵敏度的优势，成为新兴肿瘤标志物分析平台。其通过光能驱动光生载流子产生、分离和转移，产生稳定电化学信号。然而，现有PEC技术面临三重瓶颈：

1、光电转换效率受限：光电极材料普遍存在载流子复合率高、能带结构失配问题，导致光生电子-空穴对分离效率低下；

2、外源供能依赖：需持续外部偏压维持电荷定向迁移，阻碍设备便携化与植入式应用；

3、长期稳定性不足：光照下材料光腐蚀及生物污染引发信号衰减，制约临床环境可靠性。

发展兼具高效光能转化、自驱动特性及生物环境稳定性的PEC传感平台，是突破当前技术壁垒的关键路径。

近日，暨南大学游道通副教授提出了一种融合缺陷调控、异质结构筑、铁电极化调控的三重协同策略，成功构建了BiVO4/Bi0.95Nd0.05FeO3（BVO/BNFO）半导体-铁电异质结光电极。通过Nd3+掺杂，有效抑制了Fe3+/Fe2+价态波动及氧空位的形成，显著提升了材料的铁电性能与结构稳定性。该异质结在无外加偏压条件下展现出优异的光电转换能力。进一步通过外加电场调控铁电极化方向，从而调控界面能带结构与光生电荷的分离-迁移行为，实现了光电流密度超过200%的提升，并在长时光照下保持优异的稳定性。基于该策略构建的自供能PEC生物传感器，展现出超宽线性检测范围（1 pg/mL–0.1 mg/mL）与极低检测限（1.91 pg/mL），为高选择性、高稳定性的CEA检测提供了新方案，也为铁电材料在生物传感领域的应用开辟了全新方向。相关成果以“Ferroelectric polarization modulation self-powered photoelectrochemical biosensor for sensitive CEA detection based on semiconductor-ferroelectric heterojunction”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上，该工作的第一作者是厦门大学在读博士生刘磊和游道通副教授。

该工作的核心亮点如下：

(1) 半导体-铁电异质结光电极的构建与性能突破

通过溶胶-凝胶法、旋涂法及高温热处理构建Nd³⁺掺杂BiFeO₃铁电薄膜（Bi0.95Nd0.05FeO3, BNFO），并与BiVO4（BVO）形成独特的半导体-铁电异质结光电极。利用BNFO铁电材料的自发极化可在内部和界面形成强电场，，显著提升光生载流子分离效率，抑制复合。该BVO/BNFO异质结的光电流密度较纯BVO和未掺杂的BVO/BFO分别提高13.15倍和2.23倍。

(2)铁电极化动态调控界面能带与电荷传输

外电场调控铁电极化方向可优化异质结界面能带弯曲及载流子输运路径。在正极化状态下，BVO/BNFO的光电流密度较未极化/负极化状态分别提升203.9%和288.9%，且在持续光照下保持优异稳定性（性能增长了117.35%/10000 s）。

(3)设计的PEC生物传感器可以自供电模式工作

BVO/BNFO半导体-铁电异质结中形成的内建电场和铁电极化诱导电场，可以在无需氧化还原介质或外部电压的情况下提供非常强的驱动力来增强光载流子分离，这可以有效消除氧化/还原物质的干扰，并将对光电极上生物分子的损害降至最低。

(4)A位掺杂策略调制铁电性能

稀土Nd3+掺杂可以有效抑制氧空位与Fe价态波动，从而提升了BiFeO3材料的铁电稳定性和极化性能，将Bi0.95Nd0.05FeO3薄膜的剩余极化强度提升至17.12 μC cm-2，是BiFeO3(6.27 μC cm-2)的2.73倍。

(5) 超高灵敏度CEA检测与临床验证

自供电PEC传感器对CEA的检测限低至1.91 pg/mL，线性范围横跨5个数量级（1 pg/mL–0.1 mg/mL）。在人血清样本中表现出优异的选择性（干扰物响应<3%）与重现性（RSD=3.13%），在CEA的临床诊断中具有良好的应用前景。