劉　壯，蘭德瑞

光電化學(xué)傳感器的構(gòu)建應(yīng)用技術(shù)

劉壯1，蘭德瑞2

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)理學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110159；2.沈陽(yáng)理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110159）

光電化學(xué)分析是一種在光照射條件下，電極、光電材料和被分析物之間電荷轉(zhuǎn)移發(fā)展的重要檢測(cè)技術(shù)，其基于光電轉(zhuǎn)換和電化學(xué)兩個(gè)過(guò)程，結(jié)合被分析物產(chǎn)生的光電壓或者光電流變化，構(gòu)建被分析物和光電響應(yīng)變化之間的定量關(guān)系，構(gòu)建出光電化學(xué)傳感器，用于環(huán)境、生物等方面的分析研究。簡(jiǎn)要介紹了光電化學(xué)傳感器，分析了光電化學(xué)傳感器的構(gòu)建應(yīng)用技術(shù)。

光電化學(xué)傳感器；構(gòu)建應(yīng)用技術(shù)

近年來(lái)，光電化學(xué)快速發(fā)展，隨著電解質(zhì)溶液體系和新型半導(dǎo)體電極在光照條件下的光電轉(zhuǎn)換規(guī)律和電化學(xué)行為越來(lái)越深入，再加上當(dāng)前分析、環(huán)境、能源等學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展需求，光電化學(xué)的某些研究成果已經(jīng)被應(yīng)用在光電化學(xué)分析、光電化學(xué)分解水、光電化學(xué)太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域，光電化學(xué)傳感器的發(fā)展前景非常廣闊，在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中應(yīng)加大對(duì)光電化學(xué)傳感器構(gòu)建應(yīng)用技術(shù)的分析和研究，推動(dòng)光電化學(xué)傳感器的持續(xù)發(fā)展。

1　光電化學(xué)傳感器

光電化學(xué)傳感器主要包括電流型和電位型。當(dāng)前，光電位傳感器應(yīng)用非常廣泛，電流型光電化學(xué)傳感器主要是利用激發(fā)態(tài)光電材料和被測(cè)物質(zhì)之間電子傳遞從而導(dǎo)致光電流發(fā)生變化實(shí)現(xiàn)測(cè)定，或者結(jié)合待測(cè)物質(zhì)材料的光電流，實(shí)現(xiàn)定量分析。光電化學(xué)傳感器結(jié)合了光電化學(xué)和傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器的優(yōu)點(diǎn)，并且也具有光化學(xué)和電化學(xué)傳感器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，一方面，光電化學(xué)傳感器利用電化學(xué)檢測(cè)方式，不僅易于微型化，而且設(shè)備價(jià)廉、簡(jiǎn)單；另一方面，光電化學(xué)分析用于檢測(cè)電信號(hào)，利用光作為激發(fā)信號(hào)，并且應(yīng)用不同形式能量作為檢測(cè)信號(hào)、激發(fā)信號(hào)，確保檢測(cè)信號(hào)和激發(fā)信號(hào)的獨(dú)立性，不會(huì)發(fā)生相互干擾，因此背景信號(hào)比較低，光電化學(xué)傳感器的靈敏度較高。光電化學(xué)傳感器應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，在光電化學(xué)分析中發(fā)展前景廣闊，并且光電化學(xué)分析和生物功能分子應(yīng)用、免疫分析體系建立、納米材料加工等有效結(jié)合起來(lái)，使其應(yīng)用范圍進(jìn)一步得到擴(kuò)展。當(dāng)前，光電化學(xué)傳感器在環(huán)境分析、細(xì)胞分析、免疫分析、酶?jìng)鞲蟹治?、DNA分析、生物活性分析等領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊。

2　光電化學(xué)傳感器的構(gòu)建應(yīng)用技術(shù)

2.1材料選擇和設(shè)計(jì)

2.1.1有機(jī)光電分子

有機(jī)光電分子是指在光照條件激發(fā)下電子從最低空軌道和最高占據(jù)軌道實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移和產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的有機(jī)分子，這種分子包括有機(jī)金屬配合物類、蒽醌類、偶氮染料、酞菁類、卟啉類等，有機(jī)金屬配合物類是一種重要的有機(jī)光電分子，其由相關(guān)金屬離子和電子體系配體構(gòu)成。通常情況下，有機(jī)光電分子的離域電子體系較大，可快速吸收可見光，并且其電子轉(zhuǎn)移和電子注入能力較強(qiáng)，并且結(jié)合實(shí)際需求有機(jī)光電分子可進(jìn)行基團(tuán)修飾或者直接合成，其可修飾性較好。光電化學(xué)傳感器加工制作時(shí)，如果單獨(dú)使用這種有機(jī)金屬配合物作為光電轉(zhuǎn)化層，在實(shí)際應(yīng)用中，其光電流產(chǎn)生量較弱，往往需要復(fù)合其它傳導(dǎo)材料，從而提高檢測(cè)靈敏度和光電流信號(hào)。例如將金納米粒子焊鍍?cè)谑┍砻?，?duì)石墨烯/Au NPs納米復(fù)合物進(jìn)行修飾，在氫醌光電化學(xué)檢測(cè)過(guò)程中使用電極修飾材料，其應(yīng)用效果非常顯著。

2.1.2導(dǎo)電高分子及其復(fù)合物

導(dǎo)電高分子是經(jīng)過(guò)電化學(xué)或者化學(xué)摻雜將包含共軛π鍵高分子轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體或者導(dǎo)體，這種導(dǎo)電高分子材料的π電子共軛反鍵和成鍵能帶之間往往具有較小的能隙，其和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的價(jià)帶和導(dǎo)帶能隙比較接近，所以大多數(shù)共軛高分子材料在實(shí)際應(yīng)用中都具有半導(dǎo)體性能。當(dāng)前，聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯等研究比較成熟，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)建和復(fù)合過(guò)程中利用導(dǎo)電高分子，利用其特異性可識(shí)別分子印跡膜，并且導(dǎo)電高分子的加工制作比較簡(jiǎn)單，可有效識(shí)別基團(tuán)修飾和可控聚合，可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)，其研究潛力非常大。

2.2信號(hào)產(chǎn)生和傳感模式

2.2.1電荷氧化還原和轉(zhuǎn)移

光電化學(xué)傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，主要采用陽(yáng)極光電流，考慮到傳感模式，空穴或者電子的氧化還原反應(yīng)和電荷轉(zhuǎn)移對(duì)于光電極反應(yīng)有著直接影響，一般情況下不包括酶催化、分子識(shí)別等過(guò)程，通過(guò)電荷的有效分離可促進(jìn)信號(hào)產(chǎn)生。光電活性物質(zhì)在光激發(fā)條件下發(fā)生電子躍遷，產(chǎn)生空穴—電子對(duì)，待檢測(cè)物質(zhì)分子和光電層空穴發(fā)生氧化還原反應(yīng)，電子逐漸轉(zhuǎn)移到電極表面。通常被檢測(cè)物具有還原性，以一定濃度作為電子供體添加在電解質(zhì)溶液中，光電層中的空穴—電子對(duì)受到被檢測(cè)物分子影響實(shí)現(xiàn)有效分離，實(shí)現(xiàn)光電流快速增加。隨著待測(cè)物濃度增大，光電流逐漸增強(qiáng)，利用被檢測(cè)物分子和光電流的數(shù)量關(guān)系，定量分析待測(cè)物。

2.2.2光電流抑制

光電化學(xué)傳感器根據(jù)光電層空間位阻效應(yīng)，結(jié)合分子識(shí)別，產(chǎn)生陽(yáng)極光電流，電子供體在電解質(zhì)溶解中捕獲電子—空穴對(duì)，實(shí)現(xiàn)光電極反應(yīng)。光電化學(xué)池在進(jìn)行光電檢測(cè)時(shí)，通常氧化電位較低且沒有毒性的抗壞血酸溶于電解質(zhì)溶液中。若分子復(fù)合物嵌入電解質(zhì)溶液層和光電層之間，電子供體向光電層的空穴捕獲和電子遷移受到阻礙，造成光電流降低，結(jié)合位阻效應(yīng)和降低光電流的定量關(guān)系，科學(xué)分析目標(biāo)物。

3　結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，光電化學(xué)分析快速發(fā)展，而光電化學(xué)傳感器的應(yīng)用發(fā)展還存在一些問題，通過(guò)仔細(xì)分析和研究光電化學(xué)分

析理論，加強(qiáng)技術(shù)和設(shè)備創(chuàng)新，進(jìn)一步拓展高穩(wěn)定性和高活性材料，由于大部分光電化學(xué)分析檢測(cè)設(shè)備都是自制組裝，檢測(cè)靈敏度不足，光信號(hào)較弱，在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中應(yīng)研發(fā)高穩(wěn)定性、靈敏、方便的光電化學(xué)分析儀器，不斷提高光電化學(xué)傳感器構(gòu)建應(yīng)用技術(shù)水平。

［1］ 孫兵，艾仕云.光電化學(xué)傳感器的構(gòu)建及應(yīng)用［J］.化學(xué)進(jìn)展，2014，（5）：834-845.

Construction Applications photoelectrochemical sensor

Liu Zhuang，Lan De-rui

The analysis is a photoelectrochemical under light irradiation conditions，electrodes，photovoltaic materials and charge transfer between the analyte was an important development in testing technology，which is based on the photoelectric conversion two electrochemical processes and，combined with the light generated by the analyte voltage or current changes in the light，to build quantitative relationship between the analyte and the photovoltaic response between changes，construct photoelectrochemical sensors，analysis of environmental，biological and other aspects for.Introduces the photoelectrochemical sensors，analysis of the application of technology to build photoelectrochemical sensor.

Optical chemical sensor；Construction Applications

O657.1；TP212.2

A

1003-6490（2016）06-0060-02

2016-05-22

劉壯（1994—），男，天津人，本科在讀，主要研究方向?yàn)楣怆娦畔⒖茖W(xué)。

收稿日期：2016-06-06

作者簡(jiǎn)介： 李嘉良（1994—），男，河北灤南人，本科在讀，主要研究方向?yàn)檐囕v工程。