Janus结构材料以其精确可调的界面特性和独特的电子转移效率，在光电器件和光催化系统中展现出巨大应用潜力。这类以罗马双面神命名的材料具有不对称的化学组成和物理性质，能够产生内置极化场和能带弯曲，从而显著提高载流子分离效率。近年来，随着合成技术的进步，Janus材料的定义已从最初的双面构型扩展到各种几何形状和功能特性，在催化、生物医学、太阳能水分解和传感器等领域获得广泛应用。特别是在光电化学（PEC）生物分析领域，Janus材料的不对称结构能够优化能带排列，产生内置电场，抑制载流子复合，增强光吸收，展现出显著的应用前景。

有机光电化学晶体管（OPECT）技术是PEC生物分析与有机电化学晶体管（OECT）相结合的新兴领域，通过引入光伏效应，可用光敏半导体电极替代传统栅电极，实现无栅极电压的创新工作模式。在这种模式下，光诱导的光电压不仅实现光子驱动，还消除了传统OECT对仪器栅极电压的需求，在光照下无需外部电源即可工作，从而减少生物污染并提高信号灵敏度。与单独的PEC和OECT系统相比，OPECT因其独特的信号放大机制而具有更高的灵敏度，已广泛应用于生物分子检测、生物蚀刻技术和生理信号检测。

OPECT的核心工作机制涉及栅电压调控的沟道电流，而栅电压本身由光活性材料控制。因此，制备稳健且高光活性的材料对优化光电器件性能至关重要。Janus结构材料因其卓越的光电特性成为OPECT的理想栅极材料，但其在OPECT系统中的应用尚未被探索。金属-半导体异质结构由于能形成肖特基势垒，比纯半导体材料产生更强的光电流，特别是基于等离激元的半导体异质结通过局域表面等离激元共振（LSPR）有效收集光能，促进热电子从金属向半导体转移，是极具潜力的栅极材料候选者。然而，由于晶格失配较大，为金属-半导体杂化纳米结构创建最佳异质界面仍面临挑战。

本研究首次将Janus结构的CdS-Au材料应用于OPECT生物传感器，通过模板保护生长和转化法合成Janus结构的CdS-Au，利用其显著改善的电荷分离效率有效调控OPECT器件，实现更高的电流增益和跨导值，为高灵敏度生物传感提供了新平台。

研究内容

图1. (A) Janus CdS-Au栅极的构建及竞争性免疫反应示意图；(B) OPECT器件示意图和OPECT的光诱导离子迁移。

通过透射电子显微镜（TEM）和高分辨率TEM（HRTEM）对Janus CdS-Au和Au@CdS核壳结构进行了形貌表征。Janus CdS-Au显示出CdS和Au域之间清晰的边界，表明形成了明确的Janus结构而非混合或随机聚集。X射线衍射（XRD）图谱证实了CdS和Au的晶体平面，能量色散X射线光谱（EDX）和元素映射显示了Cd、S和Au元素的共存和分布。X射线光电子能谱（XPS）分析进一步验证了CdS和Au的成功合成，Cd 3d、S 2p和Au 4f的高分辨率光谱证实了化学状态。这些结果全面证明了Janus CdS-Au的成功制备。

图2. 材料特性描述

在410 nm间歇光照下表征材料的光电化学（PEC）性能。单相CdS材料和Au@CdS核壳结构的光电流较低（分别为0.41μA和0.53μA），而Janus CdS-Au结构的光电流显著增强至约0.67μA。研究表明，Janus结构通过肖特基效应和LSPR机制增强光电流产生。与核壳结构相比，Janus材料中CdS和Au域的空间分离促进了空穴和电子的有效分离，独特的电子转移路径提高了电极/电解质界面的电荷注入效率，从而显著增强光电流。

图3. PEC性能分析

采用竞争性免疫分析法，Ag纳米颗粒标记的OA单克隆抗体作为传感探针。Ag+的释放促进Janus CdS-Au/Ag2S Type-I异质结的形成，降低光转换效率，从而调控IDS响应用于OA的定量检测。在最优条件下，ΔIDS随OA浓度增加而增强，ΔI/I0与OA浓度对数在10^-9 M至10^-5 M范围内呈现良好线性关系，检测限达45.7 pM。选择性实验表明，传感器对OA具有高特异性，抗干扰能力强。在实际样品（贝类提取物和海水）检测中表现出令人满意的回收率（98.60-106.32%）和稳定性。

图4. OA检测

本研究成功通过模板保护种子生长法合成了明确的Janus CdS-Au结构，首次将其作为栅极材料驱动OPECT器件。得益于CdS-Au域显著改善的电荷分离效率，Janus结构的CdS-Au能有效调控OPECT器件，产生更高的电流增益和跨导值。利用Ag纳米颗粒标记的OA单克隆抗体作为传感探针，开发了竞争性免疫分析法。Ag+的释放促进Janus CdS-Au/Ag2S Type-I异质结的形成，降低光转换效率，从而实现对OA的精确检测。所构建的OPECT生物传感器线性检测范围为10^-9 M至10^-5 M，检测限为45.7 pM，具有高选择性和抗干扰能力。在4000秒测试期间，传感器通过20次完整开关循环呈现可重复响应，表现出优异的稳定性。该研究为Janus金属-半导体杂化材料在光电器件及相关应用中的改进提供了新思路，尽管检测系统在稳定性和准确性方面仍存在一定局限性，需要进一步优化以适应实际环境监测应用。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167802