基于光電效應的生物燃料電池在化學傳感中的應用.pdf

1、生物燃料電池(BFC)可通過氧化還原反應或光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號，無需外部電源，多余能量還可進行儲存，使傳感器制備過程更加簡單、檢測費用更加低廉，有利于傳感器向集成化、微型化方向發(fā)展。此外，生物燃料電池還具有效率高、無污染、燃料來源廣泛、反應條件溫和、操作簡單、易于控制和維護、生物相容性好等優(yōu)點，使其適合于生物大分子和DNA的化學傳感分析?；诠怆娦l(fā)展起來的光致電化學(PEC)技術使用光作為激發(fā)信號，檢測光電效應產(chǎn)生的光電流，激發(fā)信號和檢

2、測信號分離可以大幅降低背景噪聲，使其具有極高的靈敏度，非常適合用于化學傳感領域。微流控紙芯片(μ-PADs)廉價、簡便、無需復雜的外部設備，能夠進行真正意義上一次性、便攜式的分析，被普遍視為現(xiàn)場即時檢測領域最有前途的分析設備之一。
　　本文將光致電化學技術引入生物燃料電池，致力于設計制作簡單、廉價、便攜、自供能的微流控紙基化學傳感器件，具體開展了以下幾個方面的工作:
　　1.通過簡單的水熱法在FTO芯片上生長了高度有序的單晶

3、TiO2納米棒陣列，并通過捕獲發(fā)夾DNA-CdS探針將CdS量子點(QDs)耦合在TiO2納米棒陣列上形成CdS@TiO2敏化結構，拓寬了吸收光譜的范圍，提高了光能的利用率，增強了光電流的強度。利用目標DNA和捕獲發(fā)夾DNA-CdS探針的特異性DNA雜交反應誘導捕獲發(fā)夾DNA-CdS探針發(fā)生構型變化，使其打開發(fā)夾，迫使CdS QDs遠離TiO2納米棒陣列，破壞CdS QDs對TiO2納米棒陣列的敏化作用，從而導致光電流的猝滅。據(jù)此實現(xiàn)了

4、目標DNA的超靈敏、特異性檢測，為光電轉(zhuǎn)換提供了一個新的思路。
　　2.設計制備了基于中空通道的三維微流控紙芯片，與紙通道相比，中空通道可大幅提高通道內(nèi)流體的流速，節(jié)約分析時間，提高檢測效率。此外，使用Ag納米粒子(NPs)-石墨烯(Ag-G)納米復合材料對紙電極進行了功能化處理，大幅提升了紙電極的導電性能。據(jù)此構建了葡萄糖/氧氣生物燃料電池，在生物陰極，使用化學腐蝕法合成了納米多孔PtNi，并通過納米多孔PtNi和膽紅素氧化酶(

5、BOD)的協(xié)同催化作用實現(xiàn)了氧氣的還原。在生物陽極，使用癌胚抗原(CEA)-Au NPs-葡萄糖脫氫酶(GDH)生物共軛體(CEA-Au-GDH)作為陽極催化劑實現(xiàn)葡萄糖的氧化，并利用CEA與CEA-Au-GDH之間的競爭免疫反應構建了生物燃料電池競爭免疫傳感器，實現(xiàn)了無需外部能源的自供能、超靈敏現(xiàn)場即時檢測。
　　3.將光致電化學技術引入生物燃料電池，在生物陽極，通過一種簡單的水熱反應制備了內(nèi)部中空、表面鏤空的WO3微球，利用C

6、dS QDs對鏤空WO3微球的敏化作用和目標DNA誘導下捕獲發(fā)夾DNA-CdS探針的構型變化構建了“信號猝滅性”光電燃料電池DNA傳感器，實現(xiàn)了目標DNA的自供能、超靈敏、特異性檢測。在生物陰極，引入了一種具有極大的表面積、出色的催化能力且長期穩(wěn)定的材料——多孔Pt-Pd花狀納米粒子，有效地實現(xiàn)了氧氣的催化還原。在三維中空通道微流控紙芯片上集成紙基超級電容器，自動存儲和釋放光電生物燃料電池產(chǎn)生的電能，再使用萬用表檢測瞬時放大的光電流，摒