光電化學傳感器研究進展

陳連金,林佩靈,皇怡甜,李 倩,黃琪嵐,曾寶珊,李秀華*,陳 哲

(1.福建師范大學 化學與材料學院,福建 福州 350007;2.閩江師范高等專科學校 化學與生物工程系,福建 福州 350007)

光電化學(Photoelectrochemical,PEC)生物傳感，是一種結合了光電化學分析技術及生物傳感技術而發展的新型檢測方法[1]。其檢測原理是基于光電活性物質的光電轉換特性來確定檢測物的濃度。在光電化學檢測過程中，光被用作激發信號激發光敏物質，而電信號作為檢測信號。激發信號與檢測信號形式的不同，使得背景信號降低[2-4]，因此，PEC分析技術具有更高的靈敏性[2]。光電化學生物傳感繼承了光電化學分析高的靈敏性以及反應分子間特殊的生物親和性[5]，因此其在小分子和生物分子檢測方面具有巨大的潛在應用前景[6-8]。主要是對近年來PEC生物傳感器的信號放大策略進行歸納。

1 PEC生物傳感器

1839年，法國物理學家Alexander-Edmond Becquerel's首次通過實驗發現半導體材料-鹵化銀在光輻射下具有光電效應。其后， 在1972年，兩位日本科學家Fujishima和Honda[9]通過實驗發現，TiO2作為光陽極并以紫外光照射時，可以催化加速水分解產生氫氣和氧氣，該發現為光電化學研究奠定了堅實的基礎，極大地促進了該理論在半導體光電化學領域的發展。此后，隨著人們對該理論的深入研究，光電化學逐步發展成一門涵蓋了光、電化學、表面科學和固態物理等眾多學科且高速發展的交叉科學。

2 PEC生物傳感器的原理及分類

PEC生物傳感器主要是基于通過電極的電流/電壓信號變化來監測相應的生物識別反應。光照條件下，光電活性材料的光電性能被激發，待測物與連接光電材料的識別探針結合后，會改變光電活性材料本身產生的光電壓或光電流，而這種電信號的變化與待測物濃度在一定范圍內存在某種函數關系，因而可以通過待測光電壓或光電流的改變實現對目標物的檢測[3]。光電化學生物傳感器由光源、光敏材料、生物識別單元、信號轉換器和信號輸出裝置組成。

對于典型的PEC生物傳感器而言，最核心的兩個元素是光電活性物質(用來產生信號)及生物識別元件(與電極結合)[3]。在以某種特定的目標物為基礎構建的光電化學生物傳感器中，修飾在傳感器電極表面的活性材料，對測試過程中所構建傳感器電極的信號響應和待測物質檢測的靈敏度有極其重要的影響。按照光活性材料種類的不同，可以將它們大致可以分為以下幾類：無機光活性材料，有機光活性材料，復合型光活性材料及其他材料等。其中常見的無機光活性材料包括TiO2，ZnO，WO3，Cu2O，Bi2S3，BiOI，CdSe，ZnS，ZnSe，graphene等。當光敏材料受到能量大于其能帶間隙的光激發后，基態電子從價帶躍遷至導帶，產生電子空穴對。當導帶上的光生電子傳遞到電極表面，價帶上的空穴與電解質中的電子供體發生氧化作用時，產生陽極電流；當導帶上的電子傳遞到電解質溶液中或是光敏材料的界面時，會與電解質中的受體發生還原反應，且電極表面的電子轉移到光敏物質的價帶上與其光生空穴發生反應，這時產生陰極光電流。

3 PEC生物傳感器的信號產生機制

PEC生物傳感器靈敏度的高低取決于光電信號的大小，而傳感器信號的產生機制主要分為三種類型：(1)PEC生物傳感利用生物識別過程構建光敏系統產生光電信號；(2)PEC生物傳感應用生物識別過程影響(增強或抑制)已構建的光敏系統的光電響應；(3)PEC生物傳感利用生物識別系統自身作為光敏系統產生光電信號。

4 PEC生物傳感器的信號放大策略

對于PEC生物傳感器而言，傳感器性能的穩定取決于光電響應的大小。為了獲取最佳的光電信號，使光電傳感器表現達到最佳，近幾年，越來越多的科研團隊致力于發展新的策略，實現信號放大。按照光電信號產生位置的不同，可以將信號放大策略分為以下兩個部分。

4.1 傳感基底信號放大

無機半導體材料已成為常用的構建傳感器基底的材料，然而對于一些半導體材料而言，它們或多或少都存在某些缺點。為了克服它們的這些缺陷，科研工作者們對基底構建材料進行各種改性修飾，達到改善其光電響應的目的。TiO2作為常用的一種光敏材料，已廣泛應用于各種傳感器的構建中，然而由于其禁帶寬度大，需要較高的能量才能激發電子轉移，只能吸收能量較高的紫外光，因此，需對其進行改性修飾。

4.2 免疫端的信號放大

在構建傳感器過程中，除基底信號放大外，免疫端的信號放大同樣不可小覷。由于選擇合適的光敏材料具有一定難度，目前的科研團隊更傾向于研究免疫端的信號放大策略，以實現傳感器對目標物的高靈敏檢測。