杨柳 孙丙先

摘 要：将金纳米复合材料应用到光电化学传感器的建构之中，能够有效提高光电化学传感器的性能。本文首先简要介绍了光电化学传感器的肌理及其应用，隨后分析了金纳米复合材料的光电化学传感器及其应用。希望这些观点能够有效拓宽金纳米复合材料光电传感的检测应用范围。

关键词：金属材料；纳米复合材料；光电化学传感器

引言：光电化学传感器定量分析的基础是探究光电流或光电压与检测对象浓度之间是否存在直接后间接的关系。将金纳米复合材料应用到光电化学传感器之中，能够有效提高光电转换的效率，加大电流量，提高其检测的灵敏度和准确度。

1光电化学传感器及其应用

1.1光电化学传感器的肌理

光电化学传感器是一种检测光电流或光电压变化的检测装置，具有便捷性、隐蔽性、灵敏性以及可选择性等优势。一般来说，光电化学传感器主要包括两个过程：光电转换过程和电化学过程。其中，光电转化过程是光电化学传感器的核心要素，在光激发作用下，光电化学活性分子的外层电子会转化为激发态，能够借助电子调节肌理将相应的电子转移到半导体电极的导带或其他具有较低能力水平的电极上，产生光电流或光电压。电化学过程的作用则是将分离的电子向电极表面进行转移，通过氧化还原反应，产生光电流或光电压，其主要是由电子传递和界面响应构成的。通常情况下，光电流的形成机理主要分为两种，一种是当溶液中存在还原性分子时，氧化态分子会在光激发作用下还原到基态，在此过程中会产生光电响应，随后处于基态状态下的分子又会跃迁到激发态，从同连续的闭环作用产生不间断的光电流。另一种是当溶液中的淬灭剂以电子供体/受体分子或以第三方待分析物作为半导体的电子供体/电子受体存在时，淬灭分子会与激发态的氧化态分子产生化学反应，发生电子转移，其产物会在电极表面失去或得到相应的光电流，且使光电材料调整为基态，以备下一次的反应作用。

1.2光电化学传感器的应用

光电化学传感器主要应用于生物分子检测、无机小分子或离子检测以及环境检测等领域。在生物分子检测方面，基于抑制电荷重新结合的光电传感策略能够应用到对多巴胺的灵敏性检测上，其原理是借助光辐射作用，将激发态的袋子从半导体电极的价带转移到导带上，使一部分电子产生氧化还原反应，而另一部袋子返回到价带上形成电子-空穴对，降低电子转化的效率，形成线性响应[1]。除此之外，光电化学传感器还能够应用与对葡萄糖、核苷酸、过氧化氢、免疫蛋白等生物分子的检测。在对无机小分子或离子的检测方面，可以将二硫醇化合物与硒化镉（CdSe）/硫化锌（ZnS）量子点固定到金电极上，构建应用于超氧自由基超灵敏检测的光电化学传感器系统，在该系统运行的过程中，能够随着超氧自由基浓度的增加，提高电子传递的速度，加大光电流的规模，进而实现对超氧自由基的跟踪和检测。环境检测方面，光电化学传感器能够通过对光电转换效率的检测，获取光腐蚀的动态，明确重金属铅离子的浓度（Pb2+），为环境检测问题的解决提供了高效、绿色、灵敏的新途径。

2金纳米复合材料的光电化学传感器及其应用

2.1基于金纳米/量子点构建光电化学传感器及其分析应用

基于量子点（QDs）构建的光电化学传感器在单独应用的过程中，所产生的光电流是相对较小的，但是，当其与贵金属金纳米粒子（AuNPs）结合形成相应的复合材料时，就会加快光生电子的转移速率，导致整个传感系统的电子分布发生改变，提高光电的转换效率和性能。相关研究表明，通过电沉积的方式将AuNPs与QDs沉积到透明导电薄膜氧化铟锡（ITO）上，能够构建用于检测过氧化氢（H2O2）的基于金纳米/量子点构建光电化学传感器，通过将Ads/ITO作为对照组，证明了QDs-Au/ITO体系能够保持电荷的连续性，提高光电转换的效率，从总体上来看其灵敏度是显著高于QDs/ITO的。除此之外，基于二氧化钛（TiO2）修饰电极，以AuNPs修饰脱氧核糖核酸（DNA）探针，构建用于DNA杂交检测的新光电化学传感体系，该体系将AuNPs视作一个电荷体，优化了原有离子对的重组模式，能够有效促进电荷分离和光电转换，相较于单独的TiO2光电化学传感器具有更大的光电流。但值得注意的是，将激子-等离子体激活相互作用效应应用于基于金纳米/量子点构建光电化学传感器时，极易产生局域表面等离子体共振（LSPR）现象，进而导致光电流的减小。

2.2基于金纳米/石墨烯构建光电化学传感器及其分析应用

石墨烯能够有效增强光活性物种电子分离和传递的速率，提高光生电子率和光电响应率，推动AuNPs与石墨烯的有机复合，能够有效拓宽电极表面的吸收率，显著提高光电流规模。目前，在科研领域已经提出一种纳米金增强卟啉石墨烯的光电化学传感器系统，该系统与核苷酸之间存在着相互作用的关系。其主要的作用过程是利用光辐射激发卟啉上的基态电子，使该电子部分转移到甲基紫精（MV）上，形成甲基紫精自由态，而另一部分转移到氧化石墨烯（GO）上，当外电路构成回路时，甲基紫精自由态与氧化石墨烯会共同产生阴极光电流，此时的光电化学传感器系统会将三乙醇胺作为电子供体捕捉基态上的空穴，AuNPs还会在LSPR的吸收作用下，尽可能的吸收光能量，增加电极的光活性面积，改变电极与溶液的相互作用的程度，进而提高光生电子率与光电转换的效率。另外，基于石墨烯的信号放大作用以及AuNPs与紫罗兰双阳粒子（V2+）的双重猝火效应，能够构建出应用于凝血酶检测的硒化镉（CdSe）/QDs敏化石墨烯光电化学传感系统，该系统具有高度的灵敏性，能够以光电流的变化趋势和特征为依据，利用凝血酶适体的生物识别作用，对凝血酶的具体含量做出精确的判断，其检测阈限能够达到5.9*10-15mol·L-1。

2.3基于金纳米/纳米管/纳米线构建光电化学传感器及其分析应用

纳米管/纳米线具有卓越的光催化性能，能够有效减少光的反射，促进光子吸收，最大限度的提高光电化学传感器的光吸收率[2]。将AuNPs与纳米管/纳米线进行有机结合，形成高质量的复合材料，能够有效拓宽电子的运输路径，增强电子的传输质量好的效率，实现结构与性能的协调发展。借助AuNPs与分子印迹聚邻苯二氨（PoPD）对TiO2纳米管进行修饰，能够构建出应用于毒死蜱的光电化学传感系统，在该系统中，AuNPs能够发挥电子捕获作用，对PoPD所激发的电子进行捕获，提高光电转换的效率，与此同时，毒死蜱的计入也会作为电子供体，捕获空穴，增大光电流。当毒死蜱的浓度与光电流成正比，且浓度为0.05～10μmol·L-1时，检测阈限达到0.96nmol·L-1。对基于金纳米/纳米管/纳米线构建光电化学传感器的应用进行进一步的探究，可以将其应用到对霍乱毒素B亚基（CTB）的检测之中，利用AuNPs连接TiO2纳米线，形成相对稳定的纳米结构，借助LSPR作用，能够形成相应的电磁场，引发电子化学场的放大效应进行提高光电响应的速率，该系统对CTB的检测阈限能够达到1.67*10-10mol·L-1。

结论：综上所述，金纳米复合材料的光电化学传感器具有良好的电子捕捉能力和传输能力，灵敏度要显著高于传统的光电化学传感器，并广泛的应用于免疫分析、生物检测、环境追踪等多个领域。

参考文献：

[1]李战，钱俊.石墨烯基超级电容器电极材料研究进展[J/OL].包装学报，2018（04）：1-10[2018-11-26].

[2]宋瑱，范高超，战书函.金纳米颗粒掺杂PEDOT多孔导电聚合物的电化学合成及其亚硝酸盐传感应用[J].分析测试学报，2018，37（10）：1251-1257.