半導體復合材料光電化學生物傳感器的構(gòu)建及對生物分子檢測的研究.pdf

1、光電化學生物分析是基于光電化學過程和化學/生物識別過程建立起來的一種新的分析方法。在電化學（電子傳遞和界面反應(yīng)）和光電轉(zhuǎn)換（能量轉(zhuǎn)換）兩個過程的基礎(chǔ)上，利用被分析物對生物識別過程的影響所產(chǎn)生的光電流的變化，建立起光電響應(yīng)變化與被分析物之間的定量關(guān)系。該方法以光作為激發(fā)信號，以光電流作為檢測信號，具有靈敏度高、響應(yīng)快速、設(shè)備簡單、易微型化等優(yōu)點，在生物分析中有著廣泛的潛在應(yīng)用價值。
　　光電化學生物傳感器在功能結(jié)構(gòu)上分為光電轉(zhuǎn)換單元

2、和生物識別單元兩部分，其中前者主要在于選擇具有優(yōu)良光電化學活性和穩(wěn)定性的光電活性物種來構(gòu)建光電轉(zhuǎn)換層，后者主要在于通過不同的分析傳感策略來實現(xiàn)對目標物的檢測。光電化學生物分析通過與納米材料的制備及復合、免疫分析體系的構(gòu)建、生物功能分子的應(yīng)用等方面的結(jié)合，進一步拓寬其應(yīng)用范圍。本文研究了基于WO3、CdS、Bi2S3等半導體及其復合材料構(gòu)建的多級電荷分離體系的光電化學性能，并結(jié)合直接氧化還原、分子識別與結(jié)合、酶催化等方法，構(gòu)建了不同類型的

3、光電化學傳感器，用于半胱氨酸、吲哚-3-乙酸(IAA)、J亞群禽白血病病毒(ALVs-J)等的光電化學分析。主要分為以下四部分:
　　(1)通過溶膠-凝膠法和改進的Hammers法分別制備了氧化鎢和氧化石墨烯，然后以ITO導電玻璃電極為工作電極，經(jīng)循環(huán)伏安法還原沉積石墨烯、氧化鎢修飾、熱處理和原卟啉修飾，構(gòu)建了以石墨烯/氧化鎢/原卟啉(RGO/WO3/PPIX)三元復合體系為光電活性材料的修飾電極。利用石墨烯優(yōu)秀的電子傳遞性質(zhì)和卟

4、啉較高的光吸收、快速電子注入能力及其與氧化鎢的能級匹配關(guān)系，實現(xiàn)電荷的有效分離和電子傳遞，使得光電化學響應(yīng)增強。以0.1 mol/L pH7.0的磷酸緩沖溶液為電解質(zhì)體系，在氙燈光源照射下(λ=380nm)，選擇電位為+0.3 V，以直接氧化電解質(zhì)溶液中的半胱氨酸為信號產(chǎn)生策略，實現(xiàn)了對半胱氨酸的快速靈敏檢測。該方法對半胱氨酸檢測的線性范圍為0.1-100μmol/L，檢測限可以達到25 nmol/L，并具有較高的靈敏度、較好的重現(xiàn)性和

5、穩(wěn)定性。
　　(2)通過溶劑熱法在還原的氧化石墨烯(RGO)表面原位生長CdS納米晶，并以巰基丙酸(MPA)為穩(wěn)定劑和表面修飾劑對CdS納米晶進行表面調(diào)控和修飾，制備了金字塔狀CdS納米晶負載RGO片層的MPA-CdS/RGO納米復合材料。利用RGO的快速電子傳輸能力促進CdS納米晶的電荷分離和電子傳遞，提高其光電化學性能。以MPA為橋聯(lián)媒介，將IAA抗體修飾到MPA-CdS/RGO表面，結(jié)合抗體與IAA之間的免疫識別反應(yīng)與基于分

6、子識別產(chǎn)生位阻效應(yīng)而導致的光電流抑制策略，實現(xiàn)對IAA的快速、靈敏、特異性定量分析。該方法對IAA分析在0.1-1000 ng/mL的濃度范圍內(nèi)有較好的線性關(guān)系，檢測限為0.05 ng/mL，具有較好的選擇性、較高的靈敏度和穩(wěn)定性，并可用于實際樣品的檢測。
　　(3)通過混合溶劑熱法無模板制備了形貌均勻、直徑為20-50 nm、長度為100-150nm的Bi2S3納米棒，所制備的納米棒具有較好的光電化學性能。然后經(jīng)Bi2S3納米棒

7、在ITO電極表面滴涂、以殼聚糖為媒介的一抗固定、ALVs-J與抗體的特異性結(jié)合和堿性磷酸脂酶(ALP)功能化納米金標記的二抗的修飾等過程，制備出了一種新型光電化學免疫生物傳感器，用于ALVs-J的快速靈敏檢測。在優(yōu)化條件下，固定在電極上的ALP可以催化溶液中的抗壞血酸磷酸酯，原位產(chǎn)生抗壞血酸(AA)作為電子供體。利用光電流隨AA產(chǎn)生量的增多而增加，從而建立起了光電流變化與ALVs-J濃度的對數(shù)在一定范圍內(nèi)的定量關(guān)系。該生物傳感器對ALV

8、s-J檢測的線性范圍為102.14-103.65 TCID50/mL，檢測限為102.08 TCID50/mL，從而實現(xiàn)對ALVs-J的快速、靈敏、高選擇性檢測。
　　(4)通過混合溶劑熱法制備了不同W摻雜Bi2S3復合材料，并對其形貌、晶體結(jié)構(gòu)、電子能態(tài)、光電化學性能等進行了研究。隨初始W/Bi摩爾比增大，Bi2S3晶體結(jié)構(gòu)沒有明顯改變，晶體尺寸沿軸向和徑向逐漸增大，形貌由棒狀逐漸變?yōu)橹锌展軤?。相?yīng)的光電流響應(yīng)發(fā)生先增加后減小的

9、變化;當初始W/Bi=1/2時，光電流有最大值。以最優(yōu)W-Bi2S3修飾ITO電極，并在其表面電化學聚合聚3-噻吩硼酸(PTBA)，構(gòu)建了PTBA/W-Bi2S3電極，利用W-Bi2S3和PTBA的能級匹配關(guān)系實現(xiàn)光電響應(yīng)的增強。利用硼酸基與ALVs-J表面糖殘基之間的結(jié)合，將ALVs-J、ALP功能化納米金標記的巰基苯硼酸修飾到電極上，通過原位催化產(chǎn)生AA使光電流增加的方法，建立了對ALVs-J的光電化學檢測。其檢測的線性范圍為102