贵金属—半导体材料构建光电化学传感器用于健康相关标志物的检测
发布时间：2021-07-23 22:08
生命信息分子是调控人体生命活动的一类重要物质,高灵敏地检测这些分子有助于揭示生命系统中的一些规律,从而对许多人类疾病的早期发现和诊疗具有重要意义。因此,亟待需求一种便携、快速且特异性好的检测方法。光电化学（PEC）是一门光化学和电化学相结合的技术,具有低成本、易操作、高灵敏度等特点。光电化学过程是指在光照条件下,半导体、有机染料、量子点等光电活性材料因吸收光子使电子受激发,引起电荷分离或电荷转移,形成光电流,从而实现光能和电能之间的转换。目前,以SnO2为代表的宽禁带半导体材料在光电化学领域的应用仍是国内外研究的热点。因为SnO2与TiO2等材料在光降解有机污染物、光解水制氢、光电化学传感器等方面,表现出优异的性能。但SnO2带隙宽（Eg=3.6 eV）,只能吸收太阳光中占比5%左右的紫外线,这很大程度限制了对太阳能的利用。另外一个限制SnO2广泛应用的原因是其光生载流子的复合能力较强,这大大缩短了光生电子的寿命,降低了光电转换效率。针对这些问题,本课题利...
【文章来源】：上海师范大学上海市
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEC生物检测的通用仪器及工作原理[23]
最广泛和深入的一类光电材料。无机纳米材料作为形貌及尺寸均可控的光电转换物质，一般具有比较宽的激发光谱、优异的光学稳定性以及可调的发射光谱范围。由于量子限域效应的存在，无机纳米材料比块状材料具有更优异的光电化学活性。光电转化的基本原理是，在光照条件下，半导体价带(VB)中的电子获得足够的能量，从基态跃迁到激发态，由于激发态的电子非常不稳定，可以直接或者间接地转移到适合能级的导带(CB)上，从而产生光电流，实现将光能转化成电能的过程。常见的无机半导体材料有SnO2、TiO2、BiVO4、WO3、CdS和ZnO等。图1-2(A)珊瑚状g-C3N4纳米结构；(B)WO3纳米薄片；(C)锐钛矿型TiO2-金红石型TiO2异质结构的扫描电镜图[26,27,28]如图1-2A，提出了一种在新型的珊瑚状g-C3N4纳米结构构建PEC传感平台，此结构具有独特的纳米结构，如交错的多孔网络结构和开放边界，不仅有效抑制了光生电子-空穴的重组，而且可以更多地固定捕获抗体。由此提高抗原-抗体结合效率，增强光电流响应，在甲硝唑(MNZ)测定中显示出优异的性能。图1-2B中，在弱酸性条件下通过同时进行溶液蚀刻和还原工艺，制备了二维WO3纳米片，所获得的纳米薄片表面粗糙，展现出较大的的光电流密度。电化学阻抗谱测量和密度泛函理论计算表明，归因于蚀刻和还原的协同效应，增加了载流子密度。图1-2C中，设计并制备了锐钛矿型TiO2-金红石型TiO2混合可以大大改善光催化性能，金红石纳米线的起始电势和光电流密度增强，而锐钛矿薄膜获得了强的负性能。通过光电响应、光吸收和反射以及电化学阻抗研究揭示了相序在提高TiO2异质结构PEC光阳极性能中的重要作用[26,27,28]。
?至最低空轨道(LUMO)，从而产生电子-空穴对，发生电荷分离过程。通常，这些材料包括联吡啶钌配合物、偶氮染料、金属有机配合物、卟啉以及聚(噻吩)及其衍生物等。其中，有机金属配合物是一类具有一定离域电子系统配体和一定光电活性的金属离子的材料，可以作为光电化学传感器的基底材料。基于树突状分子、导电聚合物和分子印迹聚合物的高分子纳米材料具有高灵敏度和选择性的特征，已被广泛应用于DNA、酶、蛋白质、抗原和代谢物的检测。Hou等人合成了独特的具有二茂铁配体的钛氧羰基簇，并通过单晶X射线分析对其进行了表征(图1-3)。六个二茂铁羧酸盐与D3dTi6O6核心配位，形成氧化还原活性簇[Ti6O6(OiPr)6(O2CFc)6]。通过循环伏安法研究，表明化合物中的六个二茂铁(Fc)在结构上相同，在二氯甲烷中E1/2=0.62V处产生主氧化还原峰。电子光谱和理论计算表明，化合物中产生了从Fc到Ti(IV)的电荷转移，二茂铁的存在可使体系发生有效的电子激发和电荷分离，这是TiO簇和氧化还原活性二茂铁协同作用的结果。利用该电极测试了葡萄糖、果糖、麦芽糖和蔗糖四种糖的光电流响应，发现只有还原糖具有响应性[29]。图1-3(A)[Ti6O6(OiPr)6(O2CFc)6]的理论结构模型；(B)光电响应机理示意图[29]Zhou等人通过将阳离子(芴-亚苯基)导电聚合物(PFP)和类囊体固定到电极上，设计了一种混合生物光电化学系统。PFP在提高体系的光能转换效率方面起着关键作用。PFP带正电的侧链通过静电作用与内囊体有效结合，改善了与电极的界面接触。此外，PFP的氧化还原电位与电子传输链中蛋白质复合物的氧化还原电位非常匹配，这有助于电子从类囊体转移到电极。这种组合使电解水的效率提高了200%，在白光照射下(350-800nm,50mW·cm-2)，PFP/类囊体电极的光电流密度，与纯类囊体电极相比提高了?
【参考文献】：
期刊论文
[1]光电化学生物分析研究进展[J]. 阮弋帆,张楠,朱圆城,赵伟伟,徐静娟,陈洪渊. 物理化学学报. 2017(03)
[2]光电化学传感器的构建及应用[J]. 孙兵,艾仕云. 化学进展. 2014(05)
[3]光电化学型半导体生物传感器[J]. 彭芳,朱德荣,司士辉,肖辉. 化学进展. 2008(04)
本文编号：3300131
【文章来源】：上海师范大学上海市
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEC生物检测的通用仪器及工作原理[23]
最广泛和深入的一类光电材料。无机纳米材料作为形貌及尺寸均可控的光电转换物质，一般具有比较宽的激发光谱、优异的光学稳定性以及可调的发射光谱范围。由于量子限域效应的存在，无机纳米材料比块状材料具有更优异的光电化学活性。光电转化的基本原理是，在光照条件下，半导体价带(VB)中的电子获得足够的能量，从基态跃迁到激发态，由于激发态的电子非常不稳定，可以直接或者间接地转移到适合能级的导带(CB)上，从而产生光电流，实现将光能转化成电能的过程。常见的无机半导体材料有SnO2、TiO2、BiVO4、WO3、CdS和ZnO等。图1-2(A)珊瑚状g-C3N4纳米结构；(B)WO3纳米薄片；(C)锐钛矿型TiO2-金红石型TiO2异质结构的扫描电镜图[26,27,28]如图1-2A，提出了一种在新型的珊瑚状g-C3N4纳米结构构建PEC传感平台，此结构具有独特的纳米结构，如交错的多孔网络结构和开放边界，不仅有效抑制了光生电子-空穴的重组，而且可以更多地固定捕获抗体。由此提高抗原-抗体结合效率，增强光电流响应，在甲硝唑(MNZ)测定中显示出优异的性能。图1-2B中，在弱酸性条件下通过同时进行溶液蚀刻和还原工艺，制备了二维WO3纳米片，所获得的纳米薄片表面粗糙，展现出较大的的光电流密度。电化学阻抗谱测量和密度泛函理论计算表明，归因于蚀刻和还原的协同效应，增加了载流子密度。图1-2C中，设计并制备了锐钛矿型TiO2-金红石型TiO2混合可以大大改善光催化性能，金红石纳米线的起始电势和光电流密度增强，而锐钛矿薄膜获得了强的负性能。通过光电响应、光吸收和反射以及电化学阻抗研究揭示了相序在提高TiO2异质结构PEC光阳极性能中的重要作用[26,27,28]。
?至最低空轨道(LUMO)，从而产生电子-空穴对，发生电荷分离过程。通常，这些材料包括联吡啶钌配合物、偶氮染料、金属有机配合物、卟啉以及聚(噻吩)及其衍生物等。其中，有机金属配合物是一类具有一定离域电子系统配体和一定光电活性的金属离子的材料，可以作为光电化学传感器的基底材料。基于树突状分子、导电聚合物和分子印迹聚合物的高分子纳米材料具有高灵敏度和选择性的特征，已被广泛应用于DNA、酶、蛋白质、抗原和代谢物的检测。Hou等人合成了独特的具有二茂铁配体的钛氧羰基簇，并通过单晶X射线分析对其进行了表征(图1-3)。六个二茂铁羧酸盐与D3dTi6O6核心配位，形成氧化还原活性簇[Ti6O6(OiPr)6(O2CFc)6]。通过循环伏安法研究，表明化合物中的六个二茂铁(Fc)在结构上相同，在二氯甲烷中E1/2=0.62V处产生主氧化还原峰。电子光谱和理论计算表明，化合物中产生了从Fc到Ti(IV)的电荷转移，二茂铁的存在可使体系发生有效的电子激发和电荷分离，这是TiO簇和氧化还原活性二茂铁协同作用的结果。利用该电极测试了葡萄糖、果糖、麦芽糖和蔗糖四种糖的光电流响应，发现只有还原糖具有响应性[29]。图1-3(A)[Ti6O6(OiPr)6(O2CFc)6]的理论结构模型；(B)光电响应机理示意图[29]Zhou等人通过将阳离子(芴-亚苯基)导电聚合物(PFP)和类囊体固定到电极上，设计了一种混合生物光电化学系统。PFP在提高体系的光能转换效率方面起着关键作用。PFP带正电的侧链通过静电作用与内囊体有效结合，改善了与电极的界面接触。此外，PFP的氧化还原电位与电子传输链中蛋白质复合物的氧化还原电位非常匹配，这有助于电子从类囊体转移到电极。这种组合使电解水的效率提高了200%，在白光照射下(350-800nm,50mW·cm-2)，PFP/类囊体电极的光电流密度，与纯类囊体电极相比提高了?
【参考文献】：
期刊论文
[1]光电化学生物分析研究进展[J]. 阮弋帆,张楠,朱圆城,赵伟伟,徐静娟,陈洪渊. 物理化学学报. 2017(03)
[2]光电化学传感器的构建及应用[J]. 孙兵,艾仕云. 化学进展. 2014(05)
[3]光电化学型半导体生物传感器[J]. 彭芳,朱德荣,司士辉,肖辉. 化学进展. 2008(04)
本文编号：3300131
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