用于丝网印刷光电化学生物传感器的功能纳米材料的最新进展

关键词：光电化学分析；生物传感器；丝网印刷电极；光活性材料；信号放大技术

1 引言

光电化学（PEC）传感是一种涉及将光信号转化为电信号的新兴分析技术。由于它具有背景信号低、灵敏度高、准确性高和响应快等优点，因此引起了人们的极大兴趣。广义上讲，传统电化学传感、PEC传感和电化学发光（ECL）传感都属于电化学分析1。与传统电化学传感相比，PEC传感由于激发源和检测信号的能量形式不同，背景信号更低且灵敏度更高2–4。与ECL传感相比，电子读数的使用使PEC传感成本更低，设备更简单，更易于小型化1。一个典型的PEC传感系统由三部分组成：激发光源、检测系统（电解质和电极）和信号读取装置5。根据电子传输方向，PEC传感器可分为阳极型和阴极型6。阳极型PEC传感器使用n型半导体作为光活性材料，而阴极型PEC传感器使用p型半导体作为光活性材料。PEC传感的一般工作原理如下（图1）：在光照下，工作电极上的光活性材料被具有足够能量的光子激发（半导体可以被能量等于或大于其固有带隙的光子激发），产生电子-空穴（e-h）对。然后，电解质中的电子供体（D）或受体（A）可以在工作电极界面处中和生成的空穴或捕获生成的电子。最终，在外部偏置电位作用下，通过电子传输形成恒定的阳极或阴极电流，并显示在信号读取装置上7–9。当目标分析物与工作电极上的识别元件相互作用后，可触发电信号的变化。目标分析物的浓度与电信号的变化之间存在一定的函数关系，从而可以实现对目标分析物的定量分析6，10。

近年来，作为PEC分析的一个分支，PEC生物传感已成为一个研究热点11。在PEC生物传感器中，生物识别元件（酶、抗体、核酸和肽等）与其相应靶标之间的特异性相互作用，通过直接或间接改变光活性材料的性质或电解质环境而引起电信号的变化12，13。PEC生物传感器结合了传统PEC分析的高灵敏度和生物相互作用的高特异性的优势，因此在各种应用中都具有广阔的前景。目前，PEC生物传感已广泛应用于疾病诊断11，14、食品安全检测13，15和环境监测16。

一次性丝网印刷电极（SPE）在电化学分析中的广泛应用促进了电化学传感设备的小型化，使其顺应了即时检测（POCT）的发展趋势。迄今为止，已有大量关于丝网印刷电化学（生物）传感器的研究工作得到总结17–22。此外，使用SPE的ECL生物传感器也得到了综述23。尽管有关丝网印刷PEC生物传感器的出版物数量逐年增加，但只有少数关于纸基分析设备的综述文章涵盖了一些相关工作10，24，25。简而言之，目前缺乏对丝网印刷PEC生物传感器的全面总结。

众所周知，光活性材料在PEC生物传感器中起着至关重要的作用，因为它们不仅是光电转换平台，还是识别元件的装载平台6。各种光活性材料，如金属氧化物、金属硫族化合物、碳纳米材料等，已被广泛用于制备PEC生物传感器。然而，常用的单一光活性材料存在一些缺点（如可见光吸收差、电子-空穴复合率高和光腐蚀），导致光电性能不理想。因此，合理设计和工程化光活性材料被认为是构建高性能光电极的关键。此外，通常还需要一些信号放大策略以进一步提高PEC生物传感器的灵敏度26–28。鉴于此，本文首次系统总结了用于丝网印刷PEC生物传感器的功能材料的研究进展，重点介绍了光活性材料的设计和工程化策略，以及PEC生物传感器的信号放大技术，旨在为读者提供这一蓬勃发展领域的全面信息。此外，本文还讨论了丝网印刷PEC生物传感器所面临的挑战和前景，为促进丝网印刷PEC生物传感器的发展和商业化提供有益的指导。

2 SPE简介

与传统电极（如玻碳电极）相比，集成的SPE具有成本低、样品消耗少、便携、易于操作、可大规模生产等优点，有利于传感设备的小型化20。随着人们对可穿戴电子设备和POCT设备的需求日益增长，SPE在传感领域的应用也越来越广泛29。典型的SPE由三个电极组成：工作电极（WE）、对电极（CE）和参比电极（RE） 30。有时，为了满足实际需求或提高某种疾病的检测精度，可以在一个SPE中设计两个或更多WE，共用一个对电极和参比电极，以同时检测多种分析物。SPE的制造是通过使用丝网/网格支撑阻墨模版，并用刮刀在丝网模版上移动，然后将油墨印刷到固体基底上21，31 （图2a）。通常需要两个或更多的丝网/网格来实现油墨的逐层印刷，最终在基底上形成特定的电极图案（图2b）。每层印刷后，油墨层需要通过热处理固化。最后，需要用绝缘油墨涂层将导电轨道保护起来。具体来说，SPE的制造是一个多步骤的过程，包括材料的选择（包括丝网/网格、适当粘度的油墨和基底）、印刷、干燥和固化过程30，32，33。纸张、织物、塑料、玻璃、氧化铝或陶瓷表面通常用作制造SPE的基底30，34。碳墨（主要含石墨）因其价格低廉、易于改性和化学惰性而成为了最为广泛使用的油墨。此外，其他碳纳米材料（如石墨烯、碳纳米管）、金、银、镍、钯、铜以及一些金属氧化物也被用作印刷油墨，以满足各种研究需求34。

用于SPEs的印刷油墨中包含一些矿物粘合剂或绝缘聚合物以提高附着力，这可能会阻碍WE表面的电子传输31。为了改善裸SPE电子传输缓慢的问题以获得更好的分析性能，各种纳米材料，如金属、金属氧化物、碳纳米材料、导电聚合物等，已被用于改性SPE 20。改性可以通过各种方法（如滴铸、喷墨印刷、电沉积）在电极表面修饰纳米材料或直接将纳米材料添加到印刷油墨中来实现19，20，35。

3 用于丝网印刷PEC生物传感器的纳米材料

光活性材料对PEC生物传感器至关重要，因为其性质直接影响PEC生物传感器的分析能力。因此，开发具有优异的光吸收能力、高光电转换效率、良好的电子-空穴分离能力和稳定性的理想光活性材料具有重要意义。迄今为止，已经有各种半导体纳米材料被应用于制备丝网印刷PEC生物传感器。概括起来，这些纳米材料可以分为四大类：金属氧化物、金属硫族化合物、碳纳米材料和铋基纳米材料。纯光活性材料通常具有一些缺点，因此需要一定的设计和工程化策略来改善其光电性能。下文总结了用于丝网印刷PEC生物传感器的光活性材料，重点介绍了这些材料的设计和工程化策略。此外，下文还介绍了一些具有代表性的丝网印刷PEC生物传感器，以及一些重要的信号放大策略。

3.1 金属氧化物

金属氧化物纳米材料因其无毒性和良好的化学稳定性，已成为用于丝网印刷PEC生物传感最受欢迎的材料。然而，金属氧化物具有带隙宽和光生电子-空穴对复合速率快的缺点，导致光电性能较差。因此，人们采用了各种策略来克服这些局限性。目前，广泛用于制造丝网印刷PEC生物传感器的金属氧化物包括ZnO、TiO2、Cu2O和WO3等。表1总结了基于这些金属氧化物的丝网印刷PEC生物传感器，包括其电极、光活性材料、识别元件、目标分析物和分析性能36–70。

3.1.1 ZnO

在用于PEC传感的光活性材料中，ZnO因其优异的电子迁移率、高熔点、优越的化学稳定性和良好的生物相容性而被广泛应用40，45。然而，ZnO在PEC传感器中的应用受到了带隙宽、光利用率低和载流子复合速率高的限制42，45。因此，一些带隙较窄的半导体（如CdS、CdSe和CdTe）通常被用于拓宽ZnO的光吸收范围，并提高ZnO的光生电子-空穴分离的效率，最终提高其光电流响应45。

CdS敏化ZnO纳米结构已在检测肿瘤标志物方面展示出良好的PEC性能。多壁碳纳米管（CNTs）因其多样化的表面化学性质和优异的电活性而成为构建电化学传感器的极具吸引力的材料71。因此，研究人员采用聚二甲基二烯丙基氯化铵功能化的多壁碳纳米管（PDDA-CNTs）修饰丝网印刷碳工作电极。在此基础上，利用CdS QD敏化的多维多孔ZnO球开发了一种用于检测CEA的PEC免疫传感器36。一项研究利用CdS QD敏化的ZnO纳米棒作为光活性材料，以及葡萄糖氧化酶（GOx）功能化的纳米多孔银作为第二抗体的标签来放大光电流信号，在Au@Pt纳米粒子修饰的纸工作电极（Au@Pt-PWE）上建立了一个用于灵敏检测CEA和AFP的三维PEC免疫装置37。外部光源的参与偏离了PEC低成本、便携的趋势，因此，一些化学发光（CL）系统被开发出来以取代外部光源。研究人员利用多孔ZnO球和HRP标记的抗体修饰的CdS纳米棒制备了一个用于检测PSA的PEC竞争型免疫传感器，该传感器采用了luminol-H2O2-辣根过氧化物酶（HRP）-对碘酚（PIP） CL系统38。另一项研究开发了一种用于检测CA125的PEC免疫传感器。该传感系统是以CdS QD敏化的ZnO纳米棒作为光活性材料，并将N-氨丁基-N-乙基异鲁米诺（ABEI）和HRP固定在氧化石墨烯（GO）上构建的一个CL系统作为内部激发光源建立起来的39。在上述两种PEC传感器中，有效避免了外部光源，同时大大增强了光电流响应。

尽管CdS敏化剂可以提高ZnO的PEC性能，但在CdS和ZnO之间的界面处仍存在光生电荷的载流子复合。为了抑制界面处的载流子复合并进一步提高PEC性能，研究人员合成了一种CdS量子点/rGO/ZnO纳米棒阵列（NRAs）异质结构，其中rGO充当电子中介体，有效减缓了电子-空穴复合速率。通过将上述异质结构组装到金纳米颗粒修饰的纸工作光电极（Au-PWE）上，制备了一种基于CL可寻址策略的PEC分析平台，用于miRNAs的多通道传感42。

由于镉基纳米材料的潜在毒性，有必要开发用于敏化ZnO的无毒纳米材料。硫铟铜（CuInS2）因其无毒性、在整个可见光区域的高吸收系数以及与ZnO相匹配的能级而成为一个理想的候选材料。基于ZnO/CuInS2/Ag2Se光活性结构的级联敏化效应以及核酸酶驱动的靶双循环扩增策略，研究人员提出了一种用于检测miRNA-141的纸基PEC传感器（图3）。制备传感器时，首先在PAE上组装CuInS2微球敏化的ZnO纳米片，然后固定发夹DNA（H2）。当目标miRNA-141存在时，双链特异性核酸酶（DSN）激活第一次靶循环扩增，产生大量转换DNA （cDNA）。然后，当H2固定的电极与生成的cDNA和λ-外切酶（λ-Exo）结合时，启动第二次靶循环扩增，产生大量短DNA（sDNA）。sDNA可以进一步与Ag2Se QD 标记的pDNA 杂交， 并触发ZnO/CuInS2/Ag2Se光活性结构的级联敏化效应，从而产生显著增强的光电流响应。所得传感器对miRNA-141的检测具有高灵敏度和选择性45。

碳纳米材料也常用于改善ZnO的光电特性。一项研究基于ZnO/石墨烯复合材料构建了一种PEC适体传感器，用于SK-BR-3癌细胞的灵敏检测46。与常见的2D结构相比，3D-rGO具有更大的比表面积和更高的导电性72，使其更适合用于改善电极性能。在一项工作中，研究人员首先合成了具有高电子传输能力的3D-rGO/纤维素作为基底。在此基础上，开发了一种CL驱动的PEC纸上实验室装置，用于凝血酶的检测，该装置涉及氮掺杂碳点（NCdots）敏化的ZnO结构以及靶触发级联DNA扩增策略。具体而言，首先在3D-rGO/纤维素基底上修饰了N-Cdots敏化的ZnO结构，然后固定了捕获探针。目标凝血酶的出现触发了靶类似链的循环，然后产生了大量的靶类似链（TAC）。产生的TAC不仅特异性地结合到电极表面的捕获探针上，还在血红素存在时触发了杂交链反应（HCR），从而产生大量的血红素/G-四链体。在大量血红素/G-四链体催化剂的帮助下，作为内部光源的lumino-H2O2系统实现了强烈的CL发射，激发了N-Cdots/ZnO光活性材料产生光电流信号47。在一些工作中，石墨烯量子点（GQDs）和Ag2Se量子点共同敏化的ZnO结构被用作光活性材料来放大光电流信号48，49。

除了碳纳米材料之外，有机物也可用作ZnO的敏化剂。一项研究首先利用简便的低温水热法在Au-PWE上生长了ZnO纳米棒，然后使用四羧基萘酞锌（ZnNc-COOH，一种在近红外区域具有强吸收的有机染料） 对其进行敏化。得到的ZnNc-COOH/ZnO/Au-PWE在CEA检测中表现出良好的性能50。

3.1.2 TiO2

TiO2因其低成本、高光敏度、高光腐蚀抗性和良好的环境安全性而在PEC应用中引起了广泛关注53，55。然而，TiO2在PEC生物传感中的进一步应用受到了其宽带隙和光生电子-空穴对的快速复合的限制51。因此，有必要将TiO2与其他窄带隙材料结合起来，以增强相应的光电响应。

研究人员首先利用石墨烯促进光生电荷载流子的分离，以提高TiO2的光电流转换效率。合成的TiO2-石墨烯异质结修饰的丝网印刷碳电极（SPCE）在CEA检测中表现出良好的PEC性能51。另一项研究合成了镍单原子锚定的石墨相氮化碳（NixgC3N4）和TiO2的异质结来修饰SPCE。然后，在NigC3N4/TiO2上电化学沉积芳基重氮盐以进一步减少光生电荷载流子的复合并促进抗体的锚定。所得到的Amb/Nix-gC3N4/TiO2 复合物相比于原始TiO2的光电流增加了3.1倍52。研究人员利用NCdots作为TiO2 的绿色敏化剂， 制备了NCdots/TiO2/Pt/PWE用于定量分析MCF-7细胞表面的CEA。引入CEA后，引物链（PS）从PS和ZnFe2O4功能化靶链（TS）的混合物中释放出来，释放的PS进一步触发了发夹探针H1和CuS标记的发夹探针H2之间的HCR。因此，大量的CuS纳米粒子被引至电极表面。由于CuS NPs竞争性地消耗了光源和电子供体，电极的空间位阻增大，光电流强度大幅下降。结合可旋转的纸质光控开关设计，该传感平台通过选择性激活PEC工作区域实现了高通量检测54。

传统的PEC分析需要昂贵而笨重的电化学工作站。然而，工作站的参与偏离了PEC设备低成本和便携性的趋势。因此，开发一种实现相同功能并取代电化学工作站的策略至关重要。一项研究通过集成CdS/TiO2复合物修饰的Au-PWE、纸质超级电容器（PS）和简单的数字万用表（DMM）构建了一种CL激发的竞争型PEC免疫传感器，用于CEA的检测（图4）。CdS与TiO2之间能级的有效匹配抑制了电子-空穴对的复合，提高了光电极的PEC性能。同时，合成的CEA/ABEI-AuNPs-GOx生物共轭物可竞争性结合WE上固定的抗体实现信号放大。GOx催化葡萄糖产生H2O2， 作为ABEI-AuNPs-H2O2-PIP CL系统的共反应物。GOx还可被视为一种牺牲性电子供体用于清除光活性材料中的光生空穴，从而增强光电流。产生的光电流可由PS存储，最终通过DMM读取55。另一项研究基于丝网印刷光电极阵列（SPPEA）开发了一种用于同时检测九种HPV基因的PEC生物传感器阵列（PEBA）平台。SPPEA由九个基于ITO的WE、一个共用的AgCE和一个共用的Ag/AgCl RE组成。通过依次将TiO2@Au NPs和不同的CdS QDs标记探针引入到WE上构建了TiO2@Au/CdS Z-型纳米结构。目标HPV核酸的存在改变了探针的构象，并迫使CdSQDs远离电极表面，导致光电流信号的减小。结合聚合酶链式反应（PCR）技术，该PEBA成功用于HPV基因的同时检测和亚型鉴定57。

研究人员采用TiO2/MIL-125-NH2纳米管异质结构作为光活性材料， 开发了一种用于检测miRNA-182-5p的PEC传感器。然后，在TiO2/MIL-125-NH2修饰的纸电极上组装了四面体DNA纳米结构（TDN），以提供强大的抗污能力并促进DNA行走器的移动效率。miRNA-182-5p打开了DNA三向结构以形成环形DNA行走器，并进一步在传感界面启动了HCR。然后，双链DNA被Nt.BstNB I内切酶切割，释放出多巴胺聚合物（PDA）标记的ssDNA和DNA行走器，触发下一个HCR。多次Nt.BstNB I辅助循环产生了显著的光电流响应，从而实现了对目标的超灵敏和选择性检测58。

3.1.3 CuO和Cu2O

CuO是一种低成本、无毒且丰产的光活性材料，其带隙为1.7 eV，可以在可见光谱范围内吸收光子能量10，59。一项研究基于三维CuO纳米花作为光活性材料，利用模拟过氧化物酶转移增强策略，开发了一种用于检测5'-三磷酸腺苷（ATP）的纸基PEC传感设备。ATP的出现触发了G-四链体/血红素的解离。在可控的流体分离器的辅助下，解离的G-四链体/血红素被转移到检测区域，催化过氧化氢产生氧气，进一步消耗来自CuO纳米花的光生电子，最终增强PEC信号59。Cu2O是一种与CuO类似的p型半导体，但它具有更宽的带隙（约2.0 eV），因此通常需要与其他材料构建异质结以增强其光电性能61，62。研究人员通过在纸基Au工作电极上修饰BiVO4-Bi2S3异质结敏化的Cu2O，构建了一种用于miRNA-141检测的纸基PEC分析设备。为了进一步放大光电信号，通过DSN介导的靶循环反应和多分支HCR将hemin（血红素）/Pt纳米粒子装饰的DNA树状物引入到传感界面上。引入的DNA树状物能够催化H2O2原位产生O2，后者可作为电子受体进一步放大信号60。另一种用于miRNA-141 检测的PEC 设备基于BiVO4/Cu2O光活性材料修饰的rGO纸工作电极（BiVO4/Cu2O/rGO-PWE）和自循环O2-H2O2-O2系统设计而成（图5）。利用光生电子作为燃料和血红素单体作为操作员，O2-H2O2-O2循环迅速消耗了光生电子，产生了放大的光电流信号。目标miRNA-141能够通过DSN诱导的靶循环反应产生双触发的DNA探针，进一步激发了传感界面上桥式DNA纳米结构的形成。由此产生的DNA桥能够通过阻碍光生电子的消耗和诱导血红素单体的二聚化来中断O2-H2O2-O2循环，从而导致光电流信号的减小61。研究人员采用FeOOH/Cu2O/CuS修饰的Au-PWE开发了另一种用于miRNA-141检测的PEC生物传感设备。FeOOH快速地从Cu2O中提取光生空穴，而CuS则快速消耗Cu2O中的光生电子，从而驱动Cu（II）/Cu（I）氧化还原循环反应，实现了高效的电荷载流子分离。结合目标诱导的G-四链体DNA酶介导的电子受体（O2）生成策略，该传感设备产生了强烈增强的光电信号62。

3.1.4 WO3

WO3是一种n型半导体，也是在PEC生物分析中常用的光活性材料之一。WO3具有高电子迁移率（10−12 cm2∙V−1∙s−1）、优异的化学稳定性和良好的生物相容性。然而，未经修饰的WO3的光电转换效率受到宽带隙（2.5–2.8 eV）和快速的电子-空穴对复合的限制9。因此，WO3的功能化成为提高PEC响应和灵敏度的有效途径。在一项研究中，研究人员通过耦合WO3和Fe2O3 （具有2.2 eV的窄带隙）制备了WO3/Fe2O3 异质结作为传感材料。所得WO3/Fe2O3纳米复合材料不仅将激发源扩展到了可见光范围，还促进了光生载流子的分离。基于WO3/Fe2O3纳米复合材料的PEC传感平台在mucin1和miRNA-21的同时检测中可以产生显著的初始光电流信号64。另一项研究基于聚乙烯吡咯烷酮处理的In2S3/WO3 （In2S3-P/WO3）异质结构和双重循环放大策略建立了一种用于超灵敏检测赭曲霉毒素A （OTA）的纸基PEC适体传感器。具体而言，使用In2S3作为敏化剂制备了具有II型能带排列的In2S3-P/WO3光活性异质结构，促进了WO3的光生载流子分离，并获得了显著的初始光电流响应。在外切核酸酶III （Exo III）辅助循环的帮助下，微量的目标OTA可以触发碱性磷酸酶（ALP）催化反应产生大量的抗坏血酸（AA），进一步激发了三（2-羧乙基）膦酸、AA和二茂铁羧酸之间的PEC化学-化学（PECCC）氧化还原循环，从而提高了PEC生物传感器的检测灵敏度65。

3.1.5 其他金属氧化物

SnO2是一种具有高电子迁移率和光稳定性的n型半导体。然而，SnO2在可见光PEC生物传感器中的应用受到了宽带隙和高电荷载流子复合速率的限制67。在一项研究中，研究人员利用具有大比表面积和卓越电子传输性能的rGO来提高SnO2量子点的光电转换效率。制备的SnO2量子点/rGO复合材料修饰在多孔金纸电极上用于ATP的检测66。另一项研究基于一种模板消耗策略制备了一维的Sn自掺杂SnO2纳米管（Sn-doped SnO2−x NTs），并将其用作可见光响应的纸基PEC生物传感器的光活性材料，用于AFP的检测。Sn自掺杂策略拓宽了SnO2纳米管的光吸收范围，并促进了电荷载流子的分离，从而导致可见光照射下的光电流强度显著提高了67。

CeO2是一种窄带隙（2.67 eV）的半导体，具有良好的光吸收能力和强烈的可见光激发性质。研究人员报导了一种基于CeO2和纸基TiO2纳米片（PTNs）之间的电子转移隧道距离调节（ETTDR）策略的微流控纸基PEC传感平台，用于凝血酶的检测。具体来说，CeO2标记的发夹DNA 3 （HP3）被固定在PTNs的表面形成CeO2-PTNs异质结构，在该结构中，PTNs促进了CeO2的光生载流子分离，并产生了显著的光电流信号。输入目标凝血酶可以触发一个切割酶信号放大（NESA）循环，生成大量目标DNA （tDNA）。输出的tDNA可以进一步与HP3杂交，并迫使CeO2脱离PTNs表面，导致光电流信号显著下降。该传感平台在凝血酶的检测中表现良好，检测限为6.7 fM （M = mol∙L−1），线性范围为0.02至100 pM 68。

纯MnO2纳米片（带隙约2.1 eV）是一种成本低、光电活性高的化合物，然而，它们在可见光照射下通常只能产生较弱的光电流。因此，碳量子点（CQD）被用于修饰MnO2以促进电荷载流子的分离69。In2O3是一种具有低毒性和高稳定性的n型半导体（带隙约为2.8 eV）。为了提高In2O3的光电性能，研究人员合成了空心In2S3/In2O3异质结。由于In2S3和In2O3的能带相当匹配，异质结表现出增强的光电流响应。将In2S3/In2O3光电材料与CRISPRCas12a转切G-四链体构型的策略相结合，开发了一种便携式的“信号开启”PEC生物传感器，用于检测HPV-16核酸70。

3.2 金属硫族化合物

金属硫族化合物由于其独特的能带结构，也被广泛用于PEC传感。然而，金属硫族化合物通常具有固有毒性，尤其是含镉的硫族化合物可能造成镉污染。此外，与金属氧化物类似，金属硫族化合物也受到光生电子空穴对快速复合的困扰，因此需要采取一些策略来提高其电子-空穴对分离效率。最近，一些三元硫化物因其低毒性而逐渐被用于制备PEC生物传感器。目前用于制备丝网印刷PEC生物传感器的金属硫族化合物包括CdS、CdTe、SnSe、MoS2、ZnIn2S4和CuInS2。表2总结了基于金属硫族化合物的丝网印刷PEC生物传感器，包括其电极、光活性材料、识别元件、目标分析物和检测性能73–85。

CdS因其独特的能带结构和可调的光吸收活性而被广泛用于PEC传感。以CdS纳米颗粒作为光活性材料制备了几种一次性微流控PEC生物分析平台73–75。然而，CdS的电子和空穴的定向传输受到活性位点不足和光电场弱的限制。为了改善这一情况，研究人员合成了CdS/CdMoO4双层壳结构，在光电转换过程中通过Z型转移策略迅速实现了电子和空穴的传输。此外，研究人员还引入了葡萄糖氧化酶信号探针来催化过氧化氢的产生，后者被用作空穴捕获剂来进一步放大检测信号。在此基础上，利用小型LED手电筒作为激发光源和数字万用表作为信号读取设备构建了一种便携式PEC免疫分析平台，用于全血中CEA的检测79。

CdTe量子点具有合适的带隙（约1.45 eV）、宽的吸收范围、优异的光稳定性和化学稳定性。然而，由于其电子-空穴复合快，它们的光电转换效率相对较低。为了解决上述问题，研究人员引入了具有高电子消耗能力的氧化石墨烯（GO）。利用CdTe量子点和GO的复合物（CdTe-GO）作为光活性材料，结合滚环扩增（RCA）技术进一步放大信号，实现了对17β-雌二醇的超灵敏PEC检测80。

SnSe量子点比CdTe量子点毒性小，此外，它们还具有宽带隙、高吸收系数（～105 cm−1）、良好的稳定性和水溶性等优点。一项研究将镀金的SnSe量子点与第二抗体（Ab2）耦合作为信号探针构建了一种夹心型PEC免疫传感器，用于检测癌症标志物CA19-9 81。在各种半导体中，MoS2因带隙窄（1.2–1.9 eV）表现出近红外（NIR）光电活性，但其导电性差和不稳定限制了在近红外响应PEC生物传感器中的应用。为了解决这个问题，研究人员通过将rGO与MoS2耦合制备了rGO-MoS2片。结果表明，rGO不仅调控了MoS2的形貌，还促进了载流子的产生和迁移。在近红外光照射下，与纯MoS2相比，所得rGO-MoS2的光电流增加了约8倍82。

三元硫化物ZnIn2S4因其合适的带隙、独特的光电性能和可调的形貌结构而受到广泛关注。然而，裸ZnIn2S4存在快速的电子-空穴复合、不足的活性位点和严重的光腐蚀等问题，这限制了其在PEC传感中的应用。一项研究通过在ZnIn2S4纳米片上负载Co9S8制备了Co9S8@ZnIn2S4异质结构，以促进电子-空穴分离。同时，通过ALP催化策略原位生成AA以诱导空穴捕获，从而进一步放大光电流响应。基于Co9S8@ZnIn2S4异质结构修饰的SPE、集成电路板和配备设计应用程序的蓝牙手机的组合，制备了用于现场检测乳腺癌生物标志物（HER2）的便携式PEC设备84。

CuInS2是一种具有低毒性、高电导性和多电活性中心的新型三元硫化物。然而，单独的CuInS2的光电活性受到其频繁的电子-空穴复合的限制。为了提高CuInS2的光电性能，研究人员引入了CoIn2S4作为一个空穴捕获中心，以防止光生电子-空穴复合。采用制备的CuInS2/CoIn2S4异质结构作为光电材料，构建了一个热响应型光电生物传感平台，用于现场检测miRNA-141 （图6）。在靶触发的酶辅助链置换循环策略的控制下，Fe3O4纳米颗粒（Fe3O4 NPs） 被释放出来， 通过促进CuInS2/CoIn2S4异质结构的电子-空穴复合来降低光电信号。同时，释放的Fe3O4 NPs可以通过亲水桥转移到光热区域形成普鲁士蓝纳米颗粒（PBNPs）。在近红外光照射下，Fe3O4 NPs与形成的PBNPs之间的激子能量转换产生增强的可视化热响应，最终使传感平台实现双信号输出85。

3.3 碳纳米材料

碳纳米材料具有低成本、环保、高稳定性和良好的生物相容性等优点，使其成为制备PEC生物传感器的有前途的光活性材料。到目前为止，碳点（Cdots）和石墨相氮化碳（g-C3N4）已被用于制备丝网印刷PEC生物传感器。

碳点由于其低成本、易于制备、环保、高稳定性、良好的生物相容性和令人满意的水溶性等优点，成为PEC传感器的光响应候选材料86−88。基于碳点修饰的多通道丝网印刷纸电极，研究人员设计了一种用于同时检测多种癌症抗原的多重PEC免疫传感器阵列。值得注意的是，该研究制备了一种灵活的纸基ZnO LED，以取代昂贵的光源89。

g-C3N4因其具有易于制备、环保和可见光响应强等优点已被广泛应用于PEC传感。遗憾的是，块状g-C3N4中光生电子-空穴对的快速复合导致其光电转换效率低和PEC响应差。人们通过表面官能团修饰、剥离、掺杂和异质结构的构建等方法改善了g-C3N4的性能28，90。研究人员合成了二维羰基化g-C3N4纳米片并将其修饰在SPEs上，用于开发检测葡萄糖的酶传感器和检测SARS-CoV-2的基因传感器90，91。另一项研究通过在柔性导电纸电极上组装稀土上转换发光纳米材料（UCNPs）@SiO2@Ag和碳自掺杂石墨相氮化碳（C-g-C3N4）建立了一种近红外响应PEC传感平台，用于监测大肠杆菌O157：H7 （图7）。UCNPs被用于将近红外光转换为可见光，而C-g-C3N4被用作光活性材料以产生光电流。AgNPs被用作敏化剂显著提高UCNPs的上转换发光，并通过局部表面等离子共振效应增强C-g-C3N4的PEC活性。利用抗菌肽Magainin I作为识别元件，该传感平台实现了对大肠杆菌O157：H7的超灵敏检测， 线性检测范围广（5–5 × 106CFUꞏmL−1），检测限低至2 CFUꞏmL−1 92。

3.4 铋基纳米材料

具有窄带隙和优异可见光活性的铋基纳米材料在PEC生物传感领域引起了一定的关注。目前，几种铋基纳米材料，如Bi4NbO8Cl、Bi2S3、BiOI和Bi2O2S，已被用于制备丝网印刷PEC生物传感器。

钙钛矿材料具有吸收系数大和载流子迁移率高的特点。然而，由于它们在水溶液中会快速降解，因此很少被用于生物分析。研究人员合成了一种具有耐水性的钙钛矿材料Bi4NbO8Cl。然后，利用Bi4NbO8Cl作为光吸收剂，纸基TiO2纳米片阵列（PTNAs）作为电子传输材料，Co-Pi作为空穴传输材料，制备了PTNAs/Bi4NbO8Cl/Co-Pi光电极。在内置电场的驱动下， Bi4NbO8Cl的光生电子被PTNAs迅速提取，而光生空穴则转移到Co-Pi，实现了高效的电荷载流子分离。得益于这种双向调制电荷载流子的策略，PTNAs/Bi4NbO8Cl/Co-Pi光电极实现了对β人绒毛膜促性腺激素的超灵敏检测，检测限为0.005 IUꞏL−1 93。

Bi2S3因其宽广的可见光响应范围、易于制备、低毒性和良好的生物相容性而受到广泛关注29。研究人员在自制的3D丝网印刷纸基电极上开发了一种便携式近红外驱动的PEC生物传感器，用于对多种病原体进行灵敏检测。Bi2S3和Cu2O分别被选为光阳极和光阴极材料，同时，重组酶聚合酶扩增（RPA）技术被用来对目标DNA进行高效扩增以实现信号的放大。该生物传感器能够在37 °C下20min内同时对大肠杆菌O157：H7和金黄色葡萄球菌进行超灵敏检测94。

氧卤化铋（BiOX，X = F、Cl、Br和I）是一种新型的三元无机半导体，具有良好的光吸收性、耐腐蚀性和可调节的带隙。此外，BiOX的独特层状结构使其能够高效分离光生电子-空穴对，从而赋予其优异的光催化活性6。作为典型的p型半导体，BiOI具有可见光活性和窄带隙（～1.8 eV），使得它比BiOCl和BiOBr更广泛地应用于PEC分析95。研究人员以Ag2S量子点和BiOI@UCNPs分别作为抗体标签，在多通道纸基丝网印刷电极上构建了一种近红外响应的PEC免疫传感器，可同时检测河豚毒素（TTX）和冈田酸（OA） 96。然而，BiOX的光电转换效率低以及表面缺乏可用的功能基团限制了其在PEC传感中的应用6。因此，研究人员提出了一种双引擎驱动的纸基PEC传感器，用于miRNA-141和miRNA-21的检测（图8a），其中，C3N4量子点敏化的ZnO纳米星和BiOI纳米球分别用作光阳极和光阴极的光活性材料，以放大光电流。在3D DNA纳米机器介导的CRISPR/Cas12a剪切工具的参与下，C3N4量子点从电极表面脱落以淬灭信号。同时，电极的分区显著减少了不同目标之间的空间串扰97。

Bi2O2S是一种新兴的二维层状材料，它具有由顶部和底部的[Bi2O2]2+离子层以及中间的S2−插层构成的类似三明治的结构。这种独特的结构使得Bi2O2S具有窄的带隙和优异的光稳定性98。此外，Bi2O2S在可见光下表现出优异的电子传输性能和快速的光电响应，使其在PEC传感中具有很大的潜力。然而，Bi2O2S在PEC传感中的应用受到了光生电子-空穴对的高复合速率的限制99。因此，对Bi2O2S进行改性成为提高其光电性能的有效途径。结合便携式手电筒（作为激发光源）、微型电化学工作站和智能手机， 研究人员在Co掺杂的Bi2O2S纳米片功能化的丝网印刷电极上开发了一种便携式的基于智能手机的PEC免疫传感器，用于PSA的检测（图8b）。利用ALP催化策略生成AA来进一步增强光电流，该免疫传感器成功用于检测低浓度的PSA，检测限为71.2 pgꞏmL−1 99。

除了上述材料外，金属也可以用作光活性材料。研究人员在金纳米棒（AuNRs）功能化的丝网印刷电极上构建了一种近红外响应的PEC适体传感器，用于检测血样中的HepG2细胞100。

4 结论与展望

丝网印刷PEC生物传感器因其低背景信号、高灵敏度和特异性、低成本以及易商业化等特点受到了广泛关注。作为光电极最重要组的成部分，光活性纳米材料极大地影响了PEC生物传感器的性能。迄今为止，各种纳米材料已被应用于构建丝网印刷PEC生物传感器（图9）。本综述总结了丝网印刷PEC生物传感器中光活性材料的设计的进展，并重点关注了生物传感器的信号增强策略。随着纳米材料的快速发展，丝网印刷PEC生物传感器在过去十年取得了实质性的进展。然而，由于一些障碍和挑战，丝网印刷PEC生物传感器尚未商业化。以下将讨论这些障碍和挑战，为未来的方向提供参考。

4.1 电极

SPE是一种具有良好商业化前景的一次性电极。然而，由于技术限制，SPE的性能往往在不同批次之间甚至在同一批次内都会有所差异，从而影响分析的准确性。同时，印刷中使用的聚合物粘合剂会降低电极的电导性。因此，我们应改进SPE的制备技术，以确保电极的稳定性和可重复性。此外，多通道SPE仍处于初级阶段，需要进一步发展以实现未来的高通量检测。

4.2 光活性材料

光活性材料是PEC生物传感器中至关重要的组成部分，其性能（光电转换效率和光稳定性）直接影响初始信号输出。目前，用于制备丝网印刷PEC传感器的主要光活性材料包括金属氧化物、金属硫族化合物、碳纳米材料和铋基纳米材料。这些材料要么具有毒性（例如CdS和CdTe），要么具有较宽的带隙（金属氧化物），或者具有较高的电子空穴对复合速率，因此需要复杂的程序，如形貌调控、元素掺杂和异质结构的构建，来改善其光电性能。因此，开发无毒、低成本、高光电转换效率、长期稳定性、良好生物相容性和可大规模生产的新型光活性材料仍然是未来研究的重点。此外，开发的光活性材料应具有可见光或近红外光响应，以避免对PEC生物传感器的生物识别组分造成损害。

4.3 信号放大策略

为了获得高灵敏度的丝网印刷PEC传感器，通常需要将高性能光电极与各种信号放大策略相结合。目前，PEC免疫传感器通常采用酶标记放大（ELA）策略，而PEC适体传感器则采用PCR、RCA和HCR策略。其中，ELA涉及繁琐的标记过程，而PCR需要特定的引物和严苛的温度条件。相比之下，RCA被认为是一种简单的等温信号放大策略。未来，我们应开发和应用在温和条件下更简单、更有效的信号放大策略。

4.4 集成与应用

PEC传感器的制备通常需要高功率的氙灯光源和笨重的电化学检测系统。为了促进PEC传感器的集成和小型化，一些研究已经使用手电筒取代氙灯光源，甚至通过组装化学发光系统避免了外部光源的使用。同时，电化学检测系统已经可以被数字电表结合电容器（或智能手机结合集成电路板）取代。目前，光电极和上述组件的集成已经导致了便携式PEC设备的出现，其中一些可以用于高通量检测。然而，丝网印刷PEC传感器主要用于体外样品检测，目前的技术水平仍然缺乏用于实时监测的可穿戴和柔性的PEC传感器。此外，丝网印刷PEC传感器仍处于实验室阶段，在商业化之前还有很长的路要走。我们希望通过相关研究人员的持续努力，能够在不久的将来解决丝网印刷PEC传感器的当前挑战和问题，并真正生产出商业化的PEC传感器设备造福于人类社会（特别是资源有限的发展中地区）。