研究背景：
新兴的光电化学(photoelectrochemical: PEC)型光电传感器具有得天独厚的在液体环境中工作的特性。此外，不同于需要外部电源来产生电检测信号的电化学方法，PEC型光电传感器将电检测信号与光激发源分离，具有可忽略的背景信号，并可减少活性物质的干扰。这些特性使PEC型光电传感器成为生物传感应用中的理想的传感器架构, 能够更容易地与生物系统连接并互相兼容。同时，在探索高效生物传感器的过程中，响应度和稳定性作为关键特征，直接影响着它们在各种应用场景下的传感性能。然而，如何在PEC型光电传感器中实现高响应和高稳定性，以保证最佳的传感性能仍然是一个挑战。本质上，PEC型光电传感器的性能取决于三种不同的载流子传输特性：(1)在半导体内部，(2)在半导体/电解质界面，以及(3)在表面化学反应中。这种基于内部和外部载流子传输与表面反应耦合的独特操作特性为我们通过调整和优化其物理和化学过程，以实现具有高性能的PEC型生物光电传感器带来了新机遇。
本文亮点：
1. 优异的光电传感性能：所设计的由氮化镓(GaN)纳米线构成的PEC型光电传感器展现出247.8 mA W⁻¹的高响应度和超稳定的工作特性。
2. 半导体纳米线的内部+外部能带工程：通过控制载流子动力学来促进有效的PEC反应，同时保护纳米线不受光腐蚀的影响。
3. 构建了葡萄糖传感系统：成功分析了人血清样本中的血糖水平，展现出0.173 μA μM⁻¹ cm⁻²的高灵敏度，0.07 μM的低检测限。
内容简介：
中国科大iGaN-Lab孙海定教授联合安徽医科大学尹宗智教授团队，以及华中科技大学同济医学院协和医院的党一平和赵雷教授等采用氮化镓(GaN)构筑p-n同质结纳米线结构，并对p-GaN段针对性地掺杂，同时采用钴镍氧化物(CoNiOₓ)在纳米线表面进行修饰，设计并制造了一种基于半导体p-n结新型PEC型光电化学传感器。在光照下，p-n同质结充当“空穴泵”，有效地将光生空穴泵到纳米线表面。与纯n-GaN纳米线相比，p-n同质结纳米线的光电压增加了172%，内部载流子分离效率显著提高。此外，通过p-GaN段的针对性掺杂，使p-GaN/电解质界面上的空穴转移势垒最小化，促进光生空穴向电解质中迁移。同时，为了进一步改善载流子迁移过程，采用CoNiOₓ进行表面修饰，形成p-n GaN/CoNiOₓ结构。器件实现了247.8 mA W⁻¹的高响应度，同时表现出优异的操作稳定性，在27.5 h的稳定性测试中表现出可忽略不计的衰减。最终，由于其显著的稳定性和高响应度，以及特殊的水溶液操作环境，我们成功构建了具有高线性响应和选择性的葡萄糖传感系统，并成功检测了人血清中样本中血糖水平。该研究为我们提供了一条简单而通用的路线，以释放PEC器件在未来先进的生物传感应用中的全部潜力。
作者简介：
尹宗智
本文通讯作者
安徽医科大学第一附属医院 主任医师
▍主要研究领域
主要从事妊娠期子宫收缩机制的研究，关注妊娠期营养代谢紊乱(包括肥胖和糖尿病等)对妊娠维持及围分娩期的异常调控。
▍个人简介
安徽医科大学第一附属医院妇产科主任医师，妇产科科教副主任，生殖障碍与妇产疾病研究安徽省重点实验室副主任。入选安徽省第九批“特支计划”A类创新人才，安徽省学术技术带头人后备人选，安徽省卫健委首批杰出人才等。主持国家自然科学基金三项，主持/参与国家重点研发计划等国家级/省部级课题十余项，获安徽省科技进步二等奖一项。现为中国生理学会生殖科学专委会委员，中华医学会围产医学分会青委、妇产科分会产科学组青委，安徽省医学会妇产科分会委员及产科学组副组长、围产医学分会委员，省医师协会母胎医师分会常委等。
▍Email：yinzongzhi@ahmu.edu.cn
孙海定
本文通讯作者
中国科学技术大学 教授
▍主要研究领域
第三代半导体氮化镓(GaN)半导体材料外延(包括纳米线，薄膜等结构)及其在光电、电子器件的应用研究。
▍个人简介
中国科学技术大学微电子学院教授/博导，iGaN Lab实验室负责人。入选国家优青，安徽省杰青，中科院海外高层次人才。长期致力于氮化镓(GaN)半导体材料外延和器件设计与制备研究。研究成果被半导体权威杂志《Compound Semiconductor》、《Semiconductor Today》等多次封面报道10余次。目前担任多个国际期刊如IEEE Photonics Technology Letters、半导体学报Journal of Semiconductor副主编以及CLEO/IEEE IPC等多个国际光电子领域会议委员。同时入选iCAX Young Scientist Award和2021年度 IAAM Young Scientist Medal等国际青年科学家奖项。以项目负责人主持国家重点研发计划，国家自然科学基金，中科院国际合作和省部级项目等。目前共发表SCI论文150余篇，包括Nature Electronics, Advanced Materials等。
▍Email：haiding@ustc.edu.cn
本文链接：Nano-Micro Letters (2024)16: 192 https://doi.org/10.1007/s40820-024-01394-5
