关键词:
光电化学
异质结
减弱型信号
增强型信号
切换(翻转)型信号
适配体(适体)
摘要:
光电化学(photoelectrochemical,PEC)生物传感是基于光电活性材料并利用仿生识别元件识别靶分子实现定量分析的一种新兴技术。现阶段,已开发的大多数PEC生物传感器主要靠提高光电活性材料的光电转换效率改善传感器灵敏度和线性范围。然而,有些单体光电活性材料带隙宽、导电能力弱、稳定性差,以此构建的PEC生物传感器在可见光区的灵敏度不理想。虽然有些PEC生物传感器的灵敏度已达到期望值,但在降低背景信号方面或者克服非特异吸附引起的假阳/阴性的干扰方面仍然难以突破。基于以上难题,本论文不仅开发了一系列光电性能优异的异质结复合材料Cu O/Pd、WO3/Pt和Zn Se/Ag2Se等,而且深入探究了其异质结构及光电转换性能,揭示了电荷载流子的分离、传输及重组机制。同时,通过设计信号减弱型、信号增强型以及信号切换型等策略构建一系列PEC生物传感平台,实现了卡那霉素(kanamycin,KAN)、3,3?,4,4?-四氯联苯(3,3′,4,
4′-tetrachlorobiphenyl,PCB77)、微囊藻毒素-LR(microcystin-LR,MC-LR)和赭曲霉毒素A(ochratoxin,OTA)的高灵敏性和特异性检测。主要研究内容如下:
(1)基于前驱体Cu2O与H2Pd Cl4光诱导氧化还原反应制备Cu O/Pd复合材料并以此构建PEC适体传感检测卡那霉素(KAN)。Cu O/Pd是一种富电子陷阱的肖特基结光活性材料,以其为电极基底材料,再将Cd S QDs功能化的互补单链(c DNA-Cd S QDs)与事先修饰在Cu O/Pd上的适体进行杂交构建双链DNA(ds DNA),从而提高传感器的光电转换效率增大光电流。而识别KAN分子时因光电极表面适体对靶分子的高特异性和亲和性,ds DNA被拆解使Cd S QDs敏化效应失去作用,光电流下降。基于这种光电流差异现象进行KAN检测,获得的检测限是20 p M,线性范围为0.1~500 n M。该传感识别靶分子时信号呈减弱型,主要通过设计“三明治”放大信号策略提高传感的灵敏度。
(2)为了进一步提高PEC传感器的灵敏性,本章采用阳离子交换法原位生长复合材料Zn Se/Ag2Se并以此构建双“Z-Scheme”PEC适体传感检测3,3?,4,4?-四氯联苯(PCB77)。借助碱基配对原则将c DNA-Cd Te QDs引入电极表面,三种光电活性材料Zn Se–Ag2Se–Cd Te QDs相互作用形成两个直接型“Z-Scheme”光学系统。当PEC适体传感识别PCB77时,因靶分子与适体特异性和亲和性的作用,ds DNA被拆解,c DNA–Cd Te QDs离开光电极表面,双“Z-Scheme”模式变单“Z-Scheme”模式。将其应用于检测靶分子PCB77,检测限(S/N=3)为0.05 pg L–1。该传感识别靶分子时信号呈减弱型,与传统的一些异质结相比,获得了更高的氧化电位和更低的还原电位,有助于增强传感的灵敏度。
(3)为了进一步保障传感器的高灵敏性和低背景信号,本章基于自发氧化还原反应法制备肖特基结WO3/Pt,以此构建PEC适体传感同质检测微囊藻毒素-LR(MC-LR)。将互补单链c DNA(ss DNA)固定在光电极表面,而光敏剂亚甲基蓝(MB)通过静电吸引和π-π堆积作用被嵌入到显负电的双链DNA(ds DNA,包括c DNA和适体)。当适体特异性识别MC-LR靶分子时,ds DNA被拆解,适体随溶液中的MC-LR脱离电极进入溶液,形成信号增强型的PEC适体传感器,显著降低了背景信号对检测信号的影响。该传感器的检测限为0.078 f M(S/N=3),远优于同方法文献的报道值。
(4)基于上一份工作的光电活性材料WO3/Pt,进一步设计极性切换型PEC适体传感探索其抗干扰性。在构建PEC生物传感器时,聚吲哚-5-甲醛(P5FIn)作为导电聚合膜固定于基底材料并以其上的醛基(-CHO)连接适体顶端的亚氨基(-NH2)产生C=N双键,进一步将适体固定于电极表面。其中,P5FIn与WO3/Pt共同构建了三组分全固态Z-型异质结,改变了电荷载流子的传输路径,产生的光电流发生极性切换。其工作机制通过设计二茂铁为对照物的循环伏安法、电子顺磁共振光谱、紫外漫反射光谱等多种手段进行分析。以该传感识别赭曲霉毒素A(OTA),其检测限为0.0229 pg·m L-1(S/N=3),线性范围为0.0004~400 ng·m L-1和400~12μg·m L-1。该极性切换传感策略的提出旨在避开复杂基质中假阳性和假阴性信号的干扰。