铁蛋白是生物体中常见的铁储存蛋白，其异常铁蛋白水平与一系列病理状态相关。在临床诊断中，常用的铁蛋白测定方法包括酶联免疫吸附测定、放射免疫测试和变色抗原抗体反应，然而，这些方法存在灵敏度低、响应速度慢、样品制备复杂等缺点，迫切需要替代的铁蛋白检测方法。光电化学（PEC）传感器在生物、医疗、环境、食品等领域具有广泛的应用前景，但传统光电化学（PEC）蛋白传感器通常依赖分子的空间位阻效应来产生光电信号，然而蛋白分子在传感界面的富集抑制了光电子的传输，从而降低检测灵敏度。
近日，西南交通大学郑晓彤课题组提出一种针对蛋白分子的PEC传感检测新思路，基于纳米纤维中的纳米反应器实现铁蛋白超灵敏传感的信号增强。
研究成果一：利用聚乙烯比咯烷酮（PVP）和聚己内酯（PCL）分子不同的亲疏水特性，通过静电纺丝技术制备了表面微图案化的纳米纤维，设计了具有闭环纳米结构的纳米反应器，将铁蛋白限制在纳米反应器中实现特异性检测。
研究成果二：在420纳米以上波长光照下，由Ag₂O/Ag异质结围建的闭环纳米反应器产生自由基，并分解反应器中内的铁蛋白、释放出铁离子，从而实现光电流信号的增强。
研究成果三：该PEC纳米纤维传感器展现出10-8–102 mg/mL的宽线性检测范围和5 pg/mL的超高灵敏度，并基于此开发出铁蛋白信号增强响应装置，可实现对低、正常及高浓度铁蛋白的快速、精准监测，从而支撑不同病理状态下的精准评估。相关研究成果以“Photoelectrochemical Nanofiber Ferritin Sensor with Integrated “Migrating-Destructing-Detecting” Capability”为题目，发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。
图一 表面微图案化纳米纤维的形成机理
如图一所示，在静电纺丝过程中，亲水性的PVP分子逐渐迁移到纳米纤维中的相分离区域，形成纳米反应器的前体。在无光照条件下，Ag2O纳米粒子均匀分布在亲水区域。紫外照射后，纳米纤维中的Ag+被原位还原成Ag单质，从而与Ag2O形成异质结纳米结构。此外PVP的大分子链被碳化并断裂成小分子，促进了Ag2O/Ag异质结向纳米反应器外围移动，最后形成闭环纳米结构的纳米反应器。
图二 微图案化纳米反应器捕获铁蛋白及Fe3+释放
如图二所示，当铁蛋白置于纳米纤维表面时，由于结合了大量铁离子形成亲水吸附效应，它逐渐迁移到亲水区域内部。在此阶段，分布在微图案边界的Ag2O/Ag纳米异质结将铁蛋白限制在闭环的空间区域中。当纳米反应器暴露于波长大于420 nm的光时，Ag2O/Ag异质结变得具有光活性并产生活性氧。
在光电化学作用下，Ag₂O产生的光电子转移到Ag纳米颗粒表面，抑制了电子-空穴复合，并产生持续性的光电流，提高了纳米反应器的稳定性和活性氧产量。产生的自由基攻击纳米反应器内的铁蛋白，将其解构成更小的亚结构分子。同时，原本储存在铁蛋白中的大量Fe³⁺离子被释放出来作为电子传输载体，有助于增强纳米纤维传感器的导电性和光电性能。因此，由于大量释放的铁离子填充了纳米纤维中导电纳米颗粒的间隙，可以通过纳米纤维电极增强的光电信号来检测微量的铁蛋白。
图三 用于男性和女性铁蛋白状态的快速响应装置
利用纳米纤维作为电极的电阻差异构建了一个用于不同铁蛋白状态的快速响应装置。该快速响应装置包括四个组件：光源、传感器、电路和发光二极管（LED）。流过传感器元件的电流被放大后，LED被依次激活，能够通过不同颜色的LED灯直观显示铁蛋白水平，实现“低、正常、高”三档快速判别（图三）。
如图四所示，该传感装置可用于检测以血清铁蛋白水平降低为特征的缺铁性贫血，该变化也反映在PEC纳米纤维铁蛋白传感器测量的血清所含铁蛋白的光电流信号中。鉴于这种疾病在孕妇和幼儿中的普遍性，在健康和缺铁状态下进行了光电流检测。测得的血清铁蛋白浓度分别为113和12 ng/mL（分别属于孕妇的健康和缺铁状态）的中位光电流值可以精确计算为13.463和11.943 nA。类似地，获得的光电流值13.228和11.748 nA分别对应于80和9 ng/mL的铁蛋白浓度，用于检测儿童的健康和缺铁性贫血状态。
图四 临床应用场景中的铁蛋白检测
此外，急性肺炎在其发展过程中伴随着异常的血清铁蛋白水平，并且铁蛋白水平急剧上升。因此，使用PEC纳米纤维铁蛋白传感器检测了急性肺炎早期、高峰期和恢复期血清铁蛋白的光电流。结果显示，健康、早期、高峰期和恢复状态下的光电流值分别为13.261、13.949、14.391和13.4 nA，对应的铁蛋白浓度分别为84、232、445和103 ng/mL。不同阶段之间的显著差异表明，从疾病发生时的微量到高峰期的大量，铁蛋白含量都可以使用PEC纳米纤维铁蛋白传感器准确检测。
该研究成果在国际著名学术期刊《Advanced Functional Materials》上在线发表，西南交通大学2021级生物医学工程专业硕士生丁凯为该工作第一作者，该生导师郑晓彤为通讯作者。
研究论文：
Kai Ding，Xiaotong Zheng，et al. Photoelectrochemical Nanofiber Ferritin Sensor with Integrated “Migrating-Destructing-Detecting” Capability. Advanced Functional Materials. (2025)http://doi.org/10.1002/adfm.202518124.
