惡性腫瘤的早期診斷與精準監(jiān)測是臨床醫(yī)學與基礎研究的核心挑戰(zhàn)。癌胚抗原（CEA）作為結直腸癌、胃癌及乳腺癌等多種實體瘤的關鍵腫瘤標志物，其濃度異常升高與腫瘤負荷及進展顯著相關。實現(xiàn)CEA的超靈敏檢測，對早期篩查、療效評估及個體化治療策略制定具有重要臨床價值。光電化學（PEC）生物傳感技術憑借高信噪比（低背景干擾）與單光子級檢測靈敏度的優(yōu)勢，成為新興腫瘤標志物分析平臺。其通過光能驅動光生載流子產(chǎn)生、分離和轉移，產(chǎn)生穩(wěn)定電化學信號。然而，現(xiàn)有PEC技術面臨三重瓶頸：

1、光電轉換效率受限：光電極材料普遍存在載流子復合率高、能帶結構失配問題，導致光生電子-空穴對分離效率低下；

2、外源供能依賴：需持續(xù)外部偏壓維持電荷定向遷移，阻礙設備便攜化與植入式應用；

3、長期穩(wěn)定性不足：光照下材料光腐蝕及生物污染引發(fā)信號衰減，制約臨床環(huán)境可靠性。

發(fā)展兼具高效光能轉化、自驅動特性及生物環(huán)境穩(wěn)定性的PEC傳感平臺，是突破當前技術壁壘的關鍵路徑。

近日，暨南大學游道通副教授提出了一種融合缺陷調(diào)控、異質結構筑、鐵電極化調(diào)控的三重協(xié)同策略，成功構建了BiVO4/Bi0.95Nd0.05FeO3（BVO/BNFO）半導體-鐵電異質結光電極。通過Nd3+摻雜，有效抑制了Fe3+/Fe2+價態(tài)波動及氧空位的形成，顯著提升了材料的鐵電性能與結構穩(wěn)定性。該異質結在無外加偏壓條件下展現(xiàn)出優(yōu)異的光電轉換能力。進一步通過外加電場調(diào)控鐵電極化方向，從而調(diào)控界面能帶結構與光生電荷的分離-遷移行為，實現(xiàn)了光電流密度超過200%的提升，并在長時光照下保持優(yōu)異的穩(wěn)定性?；谠摬呗詷嫿ǖ淖怨┠躊EC生物傳感器，展現(xiàn)出超寬線性檢測范圍（1 pg/mL–0.1 mg/mL）與極低檢測限（1.91 pg/mL），為高選擇性、高穩(wěn)定性的CEA檢測提供了新方案，也為鐵電材料在生物傳感領域的應用開辟了全新方向。相關成果以“Ferroelectric polarization modulation self-powered photoelectrochemical biosensor for sensitive CEA detection based on semiconductor-ferroelectric heterojunction”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上，該工作的第一作者是廈門大學在讀博士生劉磊和游道通副教授。

該工作的核心亮點如下：

(1) 半導體-鐵電異質結光電極的構建與性能突破

通過溶膠-凝膠法、旋涂法及高溫熱處理構建Nd3?摻雜BiFeO?鐵電薄膜（Bi0.95Nd0.05FeO3, BNFO），并與BiVO4（BVO）形成獨特的半導體-鐵電異質結光電極。利用BNFO鐵電材料的自發(fā)極化可在內(nèi)部和界面形成強電場，，顯著提升光生載流子分離效率，抑制復合。該BVO/BNFO異質結的光電流密度較純BVO和未摻雜的BVO/BFO分別提高13.15倍和2.23倍。

(2)鐵電極化動態(tài)調(diào)控界面能帶與電荷傳輸

外電場調(diào)控鐵電極化方向可優(yōu)化異質結界面能帶彎曲及載流子輸運路徑。在正極化狀態(tài)下，BVO/BNFO的光電流密度較未極化/負極化狀態(tài)分別提升203.9%和288.9%，且在持續(xù)光照下保持優(yōu)異穩(wěn)定性（性能增長了117.35%/10000 s）。

(3)設計的PEC生物傳感器可以自供電模式工作

BVO/BNFO半導體-鐵電異質結中形成的內(nèi)建電場和鐵電極化誘導電場，可以在無需氧化還原介質或外部電壓的情況下提供非常強的驅動力來增強光載流子分離，這可以有效消除氧化/還原物質的干擾，并將對光電極上生物分子的損害降至最低。

(4)A位摻雜策略調(diào)制鐵電性能

稀土Nd3+摻雜可以有效抑制氧空位與Fe價態(tài)波動，從而提升了BiFeO3材料的鐵電穩(wěn)定性和極化性能，將Bi0.95Nd0.05FeO3薄膜的剩余極化強度提升至17.12 μC cm-2，是BiFeO3(6.27 μC cm-2)的2.73倍。

(5) 超高靈敏度CEA檢測與臨床驗證

自供電PEC傳感器對CEA的檢測限低至1.91 pg/mL，線性范圍橫跨5個數(shù)量級（1 pg/mL–0.1 mg/mL）。在人血清樣本中表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性（干擾物響應<3%）與重現(xiàn)性（RSD=3.13%），在CEA的臨床診斷中具有良好的應用前景。

圖1.BVO/BNFO半導體-鐵電異質結及其CEA檢測傳感器的構建和傳感機理示意圖

圖2.BVO、BVO/BFO及BVO/BNFO光電極的形貌表征

圖3.BVO、BVO/BFO及BVO/BNFO光電極的晶體結構、組分與光學性能研究

圖4.Nd3+摻雜對BFO鐵電性能的調(diào)控效應分析

圖5.BVO、BVO/BFO及BVO/BNFO光電極的PEC性能及極化調(diào)控機制分析

圖6.BVO/BNFO光電極對CEA的PEC檢測性能分析

【總結與展望】

鐵電極化調(diào)控的自供電PEC傳感技術通過極化電場優(yōu)化電荷分離、異質結結構增強光響應及抗干擾界面設計，顯著提升了腫瘤標志物檢測的靈敏度與便捷性。未來需進一步推動設備便攜化及AI輔助診斷的臨床轉化，為癌癥早期篩查提供突破性工具。

原文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162157 來源：課題組供稿