第一作者：曾琛
通讯作者：刘名旺，朱成周，沈爱国
DOI：https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908857
本文打破传统异质结晶格失配瓶颈，通过原位水热制备晶格完美匹配的 CdS S 型同质结（CdSQR），复合金纳米颗粒构建三元肖特基/S型同质结协同体系（Au-CdSQR）；依托 S 型载流子迁移路径与肖特基结协同萃取电子双重优势，光电信号实现 31 倍提升，最终构建可在 0 V 偏压、无牺牲试剂条件下超灵敏检测 C 反应蛋白（CRP）的光电化学生物传感器，检出限低至 5 pg/mL，为高性能光电传感材料设计提供全新思路。
2026 年 5 月，《Nano Research》在线刊发武汉纺织大学刘名旺、沈爱国团队联合华中师范大学朱成周团队在光电化学生物传感领域的重要研究成果。该工作创新性提出晶格匹配 S 型同质结耦合肖特基结的协同增强新策略，解决传统异质结晶格错配、界面载流子复合严重的行业痛点，研制出免外加偏压、无需牺牲剂的 CRP 超灵敏光电传感器。论文第一作者为曾琛，通讯作者为刘名旺青年教师、朱成周教授、沈爱国教授。
光电化学（PEC）传感凭借低背景、响应迅速等优势，是生物标志物微量检测的优选技术。单一半导体光电转换效率偏低，现有方案多依靠异质结实现光生载流子分离，但不同半导体元素组成差异带来晶格失配，诱发大量界面缺陷，加剧电子-空穴复合。
为弥补缺陷，现有商用传感器普遍需要外加偏压与牺牲试剂：外加电压易引入基线噪声、损伤电极，牺牲剂限制复杂生理样本实际应用场景。
同质结因组分一致、界面缺陷少成为备选，但常规掺杂、缺陷改性制备的同质结仍存在晶格畸变，难以实现零偏压、无助剂下高灵敏检测。因此，开发晶格全匹配、高效 S 型电荷传输的同质结，并结合肖特基界面协同改性，是突破 PEC 传感性能上限的关键难题。
本文使用设备为伟德源自英国1946PLS-FX300HU高均匀性一体式氙灯光源，该光源专为光电材料测试量身打造，深度契合光电极尺寸与辐照特性的实际需求。光源支持输出10×10~50×50 mm²连续可调的矩形均匀光斑，且其光斑均匀性极佳，在尺寸≤20×20 mm²时可达到A级太阳模拟器标准，是开展光电转化效率（IPCE）测量等高精度测试的理想选择。在性能方面，PLS-FX300HU高均匀性一体式氙灯光源输出光功率密度限制值≥3000 mW/cm²（10×10 mm²光斑下调焦筒直接输出），可完美满足高强度均匀光的实验需求。此外，设备集成电流调节与电动光阑双重光强调节机制，能够轻松实现对输出光强度的精细化与智能化调控。
图1 材料制备流程与微观结构、晶相表征。
图1a 为 Au-CdSQR 复合材料分步合成路线：两步水热法先制备 CdS 纳米棒（CdS NRs），再原位生长 CdS 量子点（CdS QDs）得到 CdSQR 同质结，最后修饰金纳米颗粒（Au NPs）得到目标产物。图1b、c 的透射电子显微镜（TEM）与高分辨透射电镜（HRTEM）证实 CdS QDs 紧密原位附着在纳米棒表面，二者晶格条纹均为 0.248 nm（对应（102）晶面），实现完美晶格匹配；图1d X 射线衍射（XRD）图谱显示 CdS NRs 与 CdSQR 衍射峰完全重合，佐证同质结晶型结构统一，Au 负载量较低无明显 Au 特征衍射峰。
图2 光电性能与开尔文探针力显微镜（KPFM）表面电势表征。
图2a 光电瞬态测试：纯 CdS 纳米棒光电流仅 0.27 μA，40 wt% 量子点负载 CdSQR 光电流提升 17 倍至 4.6 μA，复合 Au 后的 Au-CdSQR 光电流达 8.5 μA，较原料提升 31 倍，展现显著协同增效；图2b、c 的电流-电压曲线（J-V）与外加偏压光电转换效率（ABPE）曲线表明，Au-CdSQR 最高偏压光电转换效率达 3.75%，是 CdS（1.03%）的 3.6 倍。图2d~f 原位 KPFM 直观验证：同质结自建内电场提升表面电势，Au 引入后进一步优化载流子抽取效率，从微观电势层面印证电荷分离增强机制。
图3 能带与原位光照 X 射线光电子能谱（XPS）谱图。
紫外可见吸收光谱（图3a）三种材料带隙相近，光捕获能力基本持平；黑暗/光照条件下高分辨 XPS（图3b-f）中 Cd 3d、S 2p、Au 4f 结合能偏移规律，直接证实暗态下电子由量子点流向纳米棒、Au 接收半导体电子，光照下遵循 S 型迁移+肖特基电子萃取的电荷传输路径。
图4 能带结构与电荷迁移机理示意图。
图4a 阐明 CdSQR 同质结 S 型电荷转移：同质结内建电场驱动空穴与无用电子复合，保留高还原/氧化活性载流子；图4b 修饰 Au 后形成肖特基结，利用 Au 更低费米能级快速捕获光生电子，双重界面协同大幅抑制载流子复合。
图5 CRP 传感性能曲线。
图5a 为 CRP 适配体传感识别机理：巯基适配体通过 Au-N 键固定于电极，封闭非特异性位点后，CRP 特异性结合适配体改变界面电子传递效率；图5b CRP 浓度升高光电流先升后降；图5c 在 0.025~1 ng/mL 浓度区间呈现优异线性关系，线性方程 I（μA）= 3.40 + 3.79 CCRP，R2=0.991，检出限 5 pg/mL。配套补充图表证实传感器优异的抗干扰、选择性、重现性，人体血清实测全部样本 CRP 处于健康正常范围。
本研究利用同源原位水热策略，成功构筑晶格完全匹配的 CdS S 型同质结，优选 40 wt% 量子点负载量实现 17 倍光电提升；进一步复合 Au 纳米颗粒构筑肖特基耦合三元同质结，借助 S 型电荷通路与肖特基电子萃取协同效应，最终实现 31 倍光电流增强。
基于 Au-CdSQR 构建的 CRP 光电化学生物传感器，摆脱外加偏压与牺牲剂依赖，超低检出限优于绝大多数同类 CRP 检测方法，在临床血清样本检测中表现可靠。
该晶格匹配同质结+肖特基协同的设计范式，不仅推动炎症标志物临床即时检测技术发展，也为光催化、光电探测等领域高效半导体光活性材料开发提供通用设计方案。
刘名旺，武汉纺织大学讲师。主要研究方向为：先进界面异质结的设计与研究；仿生人工光合系统模拟；新型光电化学传感器的开发与应用。
以第一作者在 Angewandte Chemie International Edition，National Science Review，Nano Letters，Science China Chemistry，Analytical Chemistry 等杂志发表 SCI 论文 10 篇。
沈爱国，武汉纺织大学教授。主要研究方向为：生物拉曼光谱分析；复杂样品即时检测；分析仪器研制；文物科技考古。中国物理学会光散射专业委员会副秘书长，湖北省化学化工学会谱学专业委员会秘书长，中国分析测试协会第七届青年学术委员会委员，第一届中国光学工程学会光谱技术及应用专业委员会委员。
朱成周，华中师范大学教授。主要研究方向为：原子尺度材料仿生设计合成；仿生催化与生物分析；单原子催化与传感；光电催化与传感；能源电催化。曾获得英国皇家化学会会士、海外高层次人才引进计划“青年项目”、国家高层次人才“万人计划青年拔尖人才”、湖北省“楚天学者”特聘教授、科睿唯安全球高被引学者和爱思唯尔中国高被引学者等奖励和荣誉。
主要研究方向是原子尺度材料催化与生物传感，至今在 Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res., PNAS, J. Am. Chem. Soc., Chem, Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed. 和 Anal. Chem. 等国际著名学术期刊以及专著发表学术论文 200 余篇，总引近 37000 次，h 指数为 97（Google Scholar）。
课题组链接：
https://shenlab.wtu.edu.cn/index.htm
https://www.x-mol.com/groups/zhulab_ccnu
Synergistically enhanced ternary Schottky/S-scheme homojunction for ultrasensitive photoelectrochemical sensing, Nano Research 2026.
Chen Zeng, Mingwang Liu*, Xin Wang, Wenhong Yang, Chengzhou Zhu*, Aiguo Shen*
https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908857
北京伟德源自英国1946有限公司（Beijing Perfectlight）成立于2006年，是国家级高新技术企业、中关村高新技术企业及北京市第一批“专精特新”企业，企业通过 ISO 9001/14001/45001 管理体系认证，售后服务达 GB/T 27922-2011 五星级标准。公司专注于智能化、高精度、高性能设备及整体解决方案的研发、生产、销售与服务，产品涵盖光源、光/光电/光热/热催化装置、表征测试系统、产研装置与光合成设备等十余系列，支撑从基础研究、小试中试到工业化放大。伟德源自英国1946面向高校、研究所及企业，重点服务新能源、药物合成、精细化工与新材料等领域；产品已进入 3000+ 实验室、远销近 50 个国家，累计支撑发表 SCI 论文 10000+ 篇。公司牵头或参与国家与行业标准制定，承担国家重点研发计划，拥有多项核心知识产权与“北京市新技术新产品”认证，并已助力多家企业用户建成吨级与百吨级光化学生产线。
