試論金納米復合材料的光電化學傳感器及其應用

楊柳 孫丙先

摘 要：將金納米復合材料應用到光電化學傳感器的建構之中，能夠有效提高光電化學傳感器的性能。本文首先簡要介紹了光電化學傳感器的肌理及其應用，隨后分析了金納米復合材料的光電化學傳感器及其應用。希望這些觀點能夠有效拓寬金納米復合材料光電傳感的檢測應用范圍。

關鍵詞：金屬材料；納米復合材料；光電化學傳感器

引言：光電化學傳感器定量分析的基礎是探究光電流或光電壓與檢測對象濃度之間是否存在直接后間接的關系。將金納米復合材料應用到光電化學傳感器之中，能夠有效提高光電轉換的效率，加大電流量，提高其檢測的靈敏度和準確度。

1光電化學傳感器及其應用

1.1光電化學傳感器的肌理

光電化學傳感器是一種檢測光電流或光電壓變化的檢測裝置，具有便捷性、隱蔽性、靈敏性以及可選擇性等優勢。一般來說，光電化學傳感器主要包括兩個過程：光電轉換過程和電化學過程。其中，光電轉化過程是光電化學傳感器的核心要素，在光激發作用下，光電化學活性分子的外層電子會轉化為激發態，能夠借助電子調節肌理將相應的電子轉移到半導體電極的導帶或其他具有較低能力水平的電極上，產生光電流或光電壓。電化學過程的作用則是將分離的電子向電極表面進行轉移，通過氧化還原反應，產生光電流或光電壓，其主要是由電子傳遞和界面響應構成的。通常情況下，光電流的形成機理主要分為兩種，一種是當溶液中存在還原性分子時，氧化態分子會在光激發作用下還原到基態，在此過程中會產生光電響應，隨后處于基態狀態下的分子又會躍遷到激發態，從同連續的閉環作用產生不間斷的光電流。另一種是當溶液中的淬滅劑以電子供體/受體分子或以第三方待分析物作為半導體的電子供體/電子受體存在時，淬滅分子會與激發態的氧化態分子產生化學反應，發生電子轉移，其產物會在電極表面失去或得到相應的光電流，且使光電材料調整為基態，以備下一次的反應作用。

1.2光電化學傳感器的應用

光電化學傳感器主要應用于生物分子檢測、無機小分子或離子檢測以及環境檢測等領域。在生物分子檢測方面，基于抑制電荷重新結合的光電傳感策略能夠應用到對多巴胺的靈敏性檢測上，其原理是借助光輻射作用，將激發態的袋子從半導體電極的價帶轉移到導帶上，使一部分電子產生氧化還原反應，而另一部袋子返回到價帶上形成電子-空穴對，降低電子轉化的效率，形成線性響應[1]。除此之外，光電化學傳感器還能夠應用與對葡萄糖、核苷酸、過氧化氫、免疫蛋白等生物分子的檢測。在對無機小分子或離子的檢測方面，可以將二硫醇化合物與硒化鎘（CdSe）/硫化鋅（ZnS）量子點固定到金電極上，構建應用于超氧自由基超靈敏檢測的光電化學傳感器系統，在該系統運行的過程中，能夠隨著超氧自由基濃度的增加，提高電子傳遞的速度，加大光電流的規模，進而實現對超氧自由基的跟蹤和檢測。環境檢測方面，光電化學傳感器能夠通過對光電轉換效率的檢測，獲取光腐蝕的動態，明確重金屬鉛離子的濃度（Pb2+），為環境檢測問題的解決提供了高效、綠色、靈敏的新途徑。

2金納米復合材料的光電化學傳感器及其應用

2.1基于金納米/量子點構建光電化學傳感器及其分析應用

基于量子點（QDs）構建的光電化學傳感器在單獨應用的過程中，所產生的光電流是相對較小的，但是，當其與貴金屬金納米粒子（AuNPs）結合形成相應的復合材料時，就會加快光生電子的轉移速率，導致整個傳感系統的電子分布發生改變，提高光電的轉換效率和性能。相關研究表明，通過電沉積的方式將AuNPs與QDs沉積到透明導電薄膜氧化銦錫（ITO）上，能夠構建用于檢測過氧化氫（H2O2）的基于金納米/量子點構建光電化學傳感器，通過將Ads/ITO作為對照組，證明了QDs-Au/ITO體系能夠保持電荷的連續性，提高光電轉換的效率，從總體上來看其靈敏度是顯著高于QDs/ITO的。除此之外，基于二氧化鈦（TiO2）修飾電極，以AuNPs修飾脫氧核糖核酸（DNA）探針，構建用于DNA雜交檢測的新光電化學傳感體系，該體系將AuNPs視作一個電荷體，優化了原有離子對的重組模式，能夠有效促進電荷分離和光電轉換，相較于單獨的TiO2光電化學傳感器具有更大的光電流。但值得注意的是，將激子-等離子體激活相互作用效應應用于基于金納米/量子點構建光電化學傳感器時，極易產生局域表面等離子體共振（LSPR）現象，進而導致光電流的減小。

2.2基于金納米/石墨烯構建光電化學傳感器及其分析應用

石墨烯能夠有效增強光活性物種電子分離和傳遞的速率，提高光生電子率和光電響應率，推動AuNPs與石墨烯的有機復合，能夠有效拓寬電極表面的吸收率，顯著提高光電流規模。目前，在科研領域已經提出一種納米金增強卟啉石墨烯的光電化學傳感器系統，該系統與核苷酸之間存在著相互作用的關系。其主要的作用過程是利用光輻射激發卟啉上的基態電子，使該電子部分轉移到甲基紫精（MV）上，形成甲基紫精自由態，而另一部分轉移到氧化石墨烯（GO）上，當外電路構成回路時，甲基紫精自由態與氧化石墨烯會共同產生陰極光電流，此時的光電化學傳感器系統會將三乙醇胺作為電子供體捕捉基態上的空穴，AuNPs還會在LSPR的吸收作用下，盡可能的吸收光能量，增加電極的光活性面積，改變電極與溶液的相互作用的程度，進而提高光生電子率與光電轉換的效率。另外，基于石墨烯的信號放大作用以及AuNPs與紫羅蘭雙陽粒子（V2+）的雙重猝火效應，能夠構建出應用于凝血酶檢測的硒化鎘（CdSe）/QDs敏化石墨烯光電化學傳感系統，該系統具有高度的靈敏性，能夠以光電流的變化趨勢和特征為依據，利用凝血酶適體的生物識別作用，對凝血酶的具體含量做出精確的判斷，其檢測閾限能夠達到5.9*10-15mol·L-1。

2.3基于金納米/納米管/納米線構建光電化學傳感器及其分析應用

納米管/納米線具有卓越的光催化性能，能夠有效減少光的反射，促進光子吸收，最大限度的提高光電化學傳感器的光吸收率[2]。將AuNPs與納米管/納米線進行有機結合，形成高質量的復合材料，能夠有效拓寬電子的運輸路徑，增強電子的傳輸質量好的效率，實現結構與性能的協調發展。借助AuNPs與分子印跡聚鄰苯二氨（PoPD）對TiO2納米管進行修飾，能夠構建出應用于毒死蜱的光電化學傳感系統，在該系統中，AuNPs能夠發揮電子捕獲作用，對PoPD所激發的電子進行捕獲，提高光電轉換的效率，與此同時，毒死蜱的計入也會作為電子供體，捕獲空穴，增大光電流。當毒死蜱的濃度與光電流成正比，且濃度為0.05～10μmol·L-1時，檢測閾限達到0.96nmol·L-1。對基于金納米/納米管/納米線構建光電化學傳感器的應用進行進一步的探究，可以將其應用到對霍亂毒素B亞基（CTB）的檢測之中，利用AuNPs連接TiO2納米線，形成相對穩定的納米結構，借助LSPR作用，能夠形成相應的電磁場，引發電子化學場的放大效應進行提高光電響應的速率，該系統對CTB的檢測閾限能夠達到1.67*10-10mol·L-1。

結論：綜上所述，金納米復合材料的光電化學傳感器具有良好的電子捕捉能力和傳輸能力，靈敏度要顯著高于傳統的光電化學傳感器，并廣泛的應用于免疫分析、生物檢測、環境追蹤等多個領域。

參考文獻：

[1]李戰，錢俊.石墨烯基超級電容器電極材料研究進展[J/OL].包裝學報，2018（04）：1-10[2018-11-26].

[2]宋瑱，范高超，戰書函.金納米顆粒摻雜PEDOT多孔導電聚合物的電化學合成及其亞硝酸鹽傳感應用[J].分析測試學報，2018，37（10）：1251-1257.