金納米復(fù)合材料的光電化學傳感器及其應(yīng)用

靳浪平，哈麗旦·居馬汗，蔣中英

(1.伊犁師范學院電子與信息工程學院，新疆 伊寧 835000；2.伊犁師范學院化學與生物科學學院，新疆 伊寧 835000)

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金納米復(fù)合材料的光電化學傳感器及其應(yīng)用

靳浪平1，哈麗旦·居馬汗2，蔣中英1

(1.伊犁師范學院電子與信息工程學院，新疆 伊寧 835000；2.伊犁師范學院化學與生物科學學院，新疆 伊寧 835000)

摘要：光電化學(photoelectrochemical，PEC)傳感器以光作為激發(fā)信號，通過電化學、生物識別等手段可定量分析待測物與光電流之間的關(guān)系。金納米復(fù)合材料構(gòu)建的傳感體系相比于單獨材料，因其優(yōu)良的導(dǎo)電性和局域表面等離子體共振(LSPR)性，光電轉(zhuǎn)換效率和光響應(yīng)明顯提高?？偨Y(jié)了光電化學傳感器的機理和應(yīng)用，綜述了以金納米復(fù)合材料構(gòu)建的傳感體系及其光電響應(yīng)分析與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：金納米顆粒；光電化學傳感器；電子轉(zhuǎn)移；光電轉(zhuǎn)換；光電流；金納米復(fù)合材料

光電化學傳感器是在電化學傳感器的基礎(chǔ)上通過加入外部激發(fā)光源，利用物質(zhì)的光電轉(zhuǎn)化特性增強待測物的電響應(yīng)。目前，光電化學傳感器因具有較高的靈敏度、低的檢測限、較好的穩(wěn)定性和較強的抗干擾能力等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于太陽能電池、信息存儲材料、重金屬監(jiān)測及免疫分析等領(lǐng)域。但仍存在不足，有很多問題需要解決。由于金納米材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、等離子體共振性、催化性、尺寸和形狀可控性、生物相容性等特性，可與量子點[1]、石墨烯[2-3]、納米管[4]等形成復(fù)合材料來構(gòu)建光電傳感界面。這類傳感界面為電荷傳輸提供了一條低阻抗路徑和大的光吸收截面，比單獨材料作用時具有更高的靈敏度及光電轉(zhuǎn)換效率。該體系與生物功能分子、免疫分析、仿生應(yīng)用等方面的結(jié)合，可進一步拓寬金納米復(fù)合材料光電傳感的檢測應(yīng)用范圍。

1光電化學傳感器

光電化學傳感器是一種基于檢測物和具有光電特性材料激發(fā)態(tài)之間電子轉(zhuǎn)移引起光電流/光電壓變化的檢測裝置。該裝置以光作為激發(fā)信號，以光電流或光電壓作為檢測信號，具有易于微型化、便攜性、靈敏度高、選擇性好等特點，在分析化學、生物檢測(如半胱氨酸、谷胱甘肽、活性蛋白等)、醫(yī)藥、環(huán)境檢測(如重金屬離子、化學需氧量、有機磷農(nóng)藥等)等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。

1.1　光電化學傳感器的機理

光電化學傳感包括兩個過程：光電轉(zhuǎn)換過程和電化學過程，其中光電轉(zhuǎn)換過程是光電化學傳感的核心部分。一方面，光電轉(zhuǎn)換過程是在光激發(fā)作用下，光電化學活性分子的外層電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。因為激發(fā)態(tài)具有很強的活性，能夠通過電子調(diào)節(jié)機理直接或間接地將電子轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體電極的導(dǎo)帶(CB)或其它具有較低能量水平的電極上，從而產(chǎn)生光電流或者光電壓；另一方面，電化學過程分為兩部分：電子傳遞和界面響應(yīng)。該過程是分離的電子向電極表面轉(zhuǎn)移，而分離的空穴向電解質(zhì)溶液和電極材料的界面轉(zhuǎn)移，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生光電流或光電壓。光電流的形成機理主要有兩種：(1)當溶液中存在還原性分子時，光照激發(fā)后的氧化態(tài)分子被還原到基態(tài)，期間伴隨光電響應(yīng)，之后基態(tài)通過光照又躍遷到激發(fā)態(tài)，此過程一直循環(huán)而產(chǎn)生不間斷的光電流；(2)當溶液中的猝滅劑以電子供體/受體分子或者以第三方待分析物作為半導(dǎo)體的電子供體/電子受體存在時，猝滅分子與激發(fā)態(tài)分子發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，伴隨氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)物還原態(tài)分子和氧化態(tài)分子在電極表面失去或得到電子產(chǎn)生光電流，且光電材料恢復(fù)到基態(tài)，以備下次反應(yīng)。形成的光電流或者光電壓與檢測物的濃度存在直接或間接的關(guān)系，構(gòu)成了光電化學傳感器定量分析的基礎(chǔ)。光電化學過程定性反應(yīng)方程式如下：

以納米半導(dǎo)體材料為例說明光電化學傳感器的工作機理(圖1)。當半導(dǎo)體光敏材料受到光激發(fā)且吸收光子能量大于禁帶寬度時，價帶(VB)電子會向CB轉(zhuǎn)移，同時在VB產(chǎn)生空穴，形成電子-空穴(e--h+)對。但在此期間電子和空穴可能發(fā)生復(fù)合，能量將會以其它形式散發(fā)出去，所以應(yīng)該采用適宜的方法抑制電子空穴復(fù)合，盡量使電子轉(zhuǎn)移到電極或者電子供體中，繼而形成光電流。當電極能級與半導(dǎo)體能帶相匹配時，CB位置上的電子轉(zhuǎn)移至電極，同時CB上產(chǎn)生的空穴被溶液中的電子供體所捕獲，形成陽極光電流；當CB電子轉(zhuǎn)移至電解質(zhì)溶液與電極界面處，與溶液中的電子受體發(fā)生反應(yīng)，電極表面的電子會轉(zhuǎn)移到VB并捕獲空穴，形成陰極光電流。所以，光電化學過程不僅伴隨著電子轉(zhuǎn)移、界面反應(yīng)、電荷分離等過程，同時伴隨著能量轉(zhuǎn)換。光電化學的轉(zhuǎn)換效率、強弱、反應(yīng)動力學與激發(fā)光的波長、強度、光電材料的形態(tài)、電荷傳導(dǎo)率等參數(shù)密切相關(guān)。

圖1　光電化學傳感器機理示意圖

1.2　光電化學傳感器的應(yīng)用

光電化學傳感器具有設(shè)備簡單、易于集成化、成本低等優(yōu)點，可以通過普通或者單波長光源與電化學檢測設(shè)備組裝，構(gòu)造低背景信號噪聲的光電流監(jiān)測系統(tǒng)，在免疫分析、生物檢測、環(huán)境追蹤等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

1.2.1生物分子檢測

圖2　多巴胺檢測系統(tǒng)示意圖

1.2.2無機小分子、離子檢測

Stoll等[10]將二硫醇化合物和CdSe/ZnS QDs固定于金電極上，基于對超氧自由基的檢測構(gòu)建了一種超靈敏的光電化學傳感器系統(tǒng)。該過程是光激發(fā)系統(tǒng)電極，細胞色素c被超氧自由基還原，而還原的細胞色素c通過氧化反應(yīng)將失去的電子進一步傳遞到QDs的光生空穴上，隨著超氧自由基濃度的增加，電子傳遞也在加快，導(dǎo)致光電流相應(yīng)增大，所以通過光電流的變化可以追蹤超氧自由基的濃度。Wang等[11]設(shè)計了一種基于CdS QDs檢測Cu2+的光電化學傳感器(圖3)。該傳感器的機理是光激發(fā)QDs，當吸收的光能量大于QDs禁帶寬度時，激發(fā)電子從VB傳遞到CB，由于ITO能帶低于CB能帶，電子向ITO轉(zhuǎn)移，但固定在ITO上的CdS QDs與Cu2+在三乙醇胺(TEA，空穴捕獲劑)溶液中發(fā)生置換反應(yīng)，生成CuxS，CuxS復(fù)合(e--h+)阻礙電子從CB傳遞到ITO電極上，導(dǎo)致光電流減小。該系統(tǒng)對Cu2+的線性響應(yīng)范圍為2.0×10-8～2.0×10-5mol·L-1，檢測限為1.0×10-8mol·L-1。除上述外，光電化學傳感器也可對其它小分子，如K+、S2-等進行檢測。

1.2.3環(huán)境檢測

光電化學傳感器為環(huán)境檢測問題的解決提供了一種快速、無污染、靈敏的新途徑。劉康麗等[12]提出了一種基于原位形成p-n結(jié)對Hg2+檢測的光電化學傳感

圖3Cu2+檢測系統(tǒng)示意圖

Fig.3Schematic diagram of Cu2+detection system

圖4　Hg2+檢測系統(tǒng)示意圖Fig.4　Schematic diagram of Hg2+ detection system

Zang等[13]提出一種基于目標物-依賴核酸適配體構(gòu)象轉(zhuǎn)換檢測的光電化學傳感策略(圖5)。該體系通過光激發(fā)QDs，產(chǎn)生e--h+對，以抗壞血酸(AA)作為電子供體，被光生空穴氧化，導(dǎo)致形成穩(wěn)定的陽極光電流；在Pb2+不存在的情況下，AuNPs標記的DNA通過和適體雜交，作為猝滅信號，經(jīng)過能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致猝滅光電流形成；在Pb2+存在的情況下，由于Pb2+誘導(dǎo)適體形成G-四鏈體結(jié)構(gòu)，阻礙了目標DNA與適體的生物結(jié)合，增大了光電流。該體系在Pb2+濃度為1.0×10-9～5.0×10-8mol·L-1時，檢測限為5.0×10-11mol·L-1。而且，光電化學傳感也可延伸至其它環(huán)境離子的檢測，如Cu2+、Cd2+等。

圖5　Pb2+檢測系統(tǒng)示意圖

2金納米復(fù)合材料的光電化學傳感器

光電化學傳感器系統(tǒng)主要通過光電材料的選擇和信號產(chǎn)生模式來構(gòu)建，前者是影響光電轉(zhuǎn)換效率的主要因素，后者是通過不同的分析手段對待測物進行檢測。所以，光電材料的合成與選擇受到廣泛關(guān)注，一般用于光電轉(zhuǎn)換層的材料包括復(fù)合材料、有機材料、無機材料等。近年來，發(fā)展了基于金納米粒子的半導(dǎo)體復(fù)合材料，用于增強半導(dǎo)體光生電子的捕獲和傳輸能力，提高光電轉(zhuǎn)換效率。

2.1　基于金納米/量子點構(gòu)建光電化學傳感器及其分析應(yīng)用

量子點構(gòu)建的光電化學傳感器單獨作用時產(chǎn)生的光電流并不大，但與貴金屬金納米顆粒(AuNPs)復(fù)合后便改變了整個傳感系統(tǒng)的電子分布。這是因為，AuNPs優(yōu)良的導(dǎo)電性加快了光生電子的轉(zhuǎn)移速率，提高了光電轉(zhuǎn)換效率與性能。據(jù)相關(guān)文獻，Huang通過電沉積方式將AuNPs與QDs沉積到ITO上，構(gòu)建了檢測H2O2的光電傳感系統(tǒng)QDs-Au/ITO(圖6)，且通過QDs/ITO作為對比光電極，證明QDs-Au/ITO體系的靈敏度明顯高于QDs/ITO體系。該系統(tǒng)對H2O2的定性檢測方程式如下：

其過程是光激發(fā)QDs，電子從VB躍遷到CB，CB上的電子又遷移到H2O2，H2O2得電子進行還原反應(yīng)，外電路通過AuNPs將電子傳遞到光生空穴上，產(chǎn)

圖6H2O2光電傳感系統(tǒng)

Fig.6H2O2Photoelectric sensing system

生陰極光電流，保持了電荷的連續(xù)性，提高了光電轉(zhuǎn)換效率。該系統(tǒng)以ZnS作為量子點，其線性響應(yīng)范圍為1.0×10-6～1.4×10-5mol·L-1。Lu等[14]基于TiO2修飾電極，以AuNPs修飾DNA探針，提出一種對DNA雜交檢測的新光電化學傳感體系(圖7)。AuNPs探針與目標DNA雜交后，可有效提高光電轉(zhuǎn)換效率，從而鑒別目標物與不匹配的DNA序列。該體系過程是光激發(fā)TiO2電極，當光能量大于TiO2的禁帶寬度時，電子從VB向CB轉(zhuǎn)移，在VB上形成e--h+對，該e--h+對又分離，導(dǎo)致空穴氧化電子供體，失去的電子遷移到FTO電極，形成陰極光電流；空穴和·OH在TiO2表面氧化AuNPs形成Au+，Au+又嵌入到TiO2，通過光生電子重新還原為AuNPs，因此AuNPs相當于一個電荷體，降低了原先e--h+對的重組，促進電荷分離和光電轉(zhuǎn)換，而且相比于TiO2單獨作用時增大了光電流。陳洪淵課題組基于光電化學過程，提出了一種激子-等離子體激元相互作用用于DNA檢測的信號產(chǎn)生模式。該體系以AuNPs與CdS QDs作用為例，光生電子、空穴捕獲與前述過程一致，但是在CB上的電子返回遷移到VB，與VB上空穴復(fù)合過程中，輻射躍遷會發(fā)射熒光，倘若該熒光光譜與AuNPs吸收光譜重疊，會發(fā)生局域表面等離子體共振(LSPR)現(xiàn)象，LSPR吸收這部分能量，產(chǎn)生的電場會加強e--h+對的復(fù)合過程，導(dǎo)致光電流減小。

2.2　基于金納米/石墨烯構(gòu)建光電化學傳感器及其分析應(yīng)用

石墨烯對光活性物種電子分離和傳遞具有增強作用，可提高光生電子率和光電響應(yīng)率。而AuNPs基于石墨烯的構(gòu)建上，進一步拓寬電極表面的光吸收率，與沒有AuNPs相比，光電流有很大提高。Kong提出了一種納米金增強卟啉石墨烯的光電化學傳感器系統(tǒng)，

圖7DNA序列檢測示意圖

Fig.7Schematic diagram of DNA sequence detection

用于與核苷酸的相互作用研究。此系統(tǒng)過程(圖8)是光輻射激發(fā)卟啉上的基態(tài)電子，該電子部分轉(zhuǎn)移到甲基紫精(MV)形成甲基紫精自由態(tài)，另一部分轉(zhuǎn)移到氧化石墨烯(GO)上，系統(tǒng)以三乙醇胺(TEOA)作為電子供體捕獲基態(tài)上的空穴；當外電路構(gòu)成回路，甲基紫精自由態(tài)和氧化石墨烯上的電子將傳遞到電極，產(chǎn)生陰極光電流。在光電轉(zhuǎn)換過程中，AuNPs由于其等離子體共振吸收作用，最大程度地吸收光能量，提高光生電子率和光電轉(zhuǎn)換效率，而且AuNPs優(yōu)良的導(dǎo)電性，增大了電極的光活性面積，改變了電極和溶液相互作用的程度，對光電流都有一定的提高。Jin基于石墨烯的信號放大作用以及AuNPs與紫羅蘭雙陽離子(V2+)的雙重猝滅效應(yīng)，構(gòu)建了對凝血酶高靈敏度檢測的CdSe QDs敏化石墨烯光電化學傳感系統(tǒng)。該過程以光電流的變化來確定凝血酶的含量，通過AuNPs的能量轉(zhuǎn)移作用和V2+的電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)提高e--h+對的復(fù)合，光電流減??；加入凝血酶后，由于凝血酶與探針上凝血酶適體的生物識別作用，探針從電極上脫落，導(dǎo)致光電流增大。該體系凝血酶檢測限達到5.9×10-15mol·L-1。

Li等[15]構(gòu)建了一種以苝四酸/石墨烯(PTCA-GR)異質(zhì)結(jié)原位生成納米金等離子體增強光電化學傳感器的Hg2+檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)策略是基于胸腺嘧啶-Hg2+-胸腺嘧啶(T-Hg2+-T)配位化學以及納米金近場等離激元的吸附來提高光電流和光電轉(zhuǎn)換效率的。系統(tǒng)中納米金由于其LSPR等離子體近場耦合有機PTCA半導(dǎo)體，增大了界面有效吸收面積，提高了載流子分離效率。其過程(圖9)是當光能量接近費米能級，激發(fā)納米金表面等離子體態(tài)的電子，該電子遷移到PTCA的LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)軌道，又通過GR轉(zhuǎn)移到玻碳電極(GCE)，形成光電流。當Hg2+濃度為5～500pmol·L-1時，該體系檢測限為2pmol·L-1。

圖8　納米金增強卟啉石墨烯的光電化學傳感過程

2.3　基于金納米/納米管/納米線構(gòu)建光電化學傳感器及其分析應(yīng)用

納米管/納米線具有優(yōu)良的光催化性能[16]，納米管可減少光的反射，有利于光子吸收，能最大程度地提高光吸收率。而納米金與其構(gòu)成的復(fù)合材料為電子提供了有效的運輸路徑，增強了電子傳輸能力，兩者能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與性能上的協(xié)同。Wang等[17]基于金納米和分子印跡聚鄰苯二胺(PoPD)修飾TiO2納米管，構(gòu)建了對毒死蜱的光電化學傳感系統(tǒng)。納米金在該系統(tǒng)中起到電子捕獲的作用，提高了界面電荷傳輸效率。該系統(tǒng)過程是PoPD吸收光子能量并且誘導(dǎo)電子從HUMO傳輸?shù)絃UMO，同時產(chǎn)生e--h+對；PoPD的激發(fā)電子經(jīng)AuNPs捕獲并遷移到TiO2納米管的CB，同時，納米金捕獲的電子分離PoPD上的e--h+對，提高光電轉(zhuǎn)換效率；當加入毒死蜱后，毒死蜱作為電子供體，能捕獲空穴，抑制e--h+對的再結(jié)合，增大光電流。毒死蜱濃度與光電流成正比，當其濃度為0.05～10 μmol·L-1時，檢測限達到0.96 nmol·L-1。Da等[18]發(fā)展了一種納米金修飾納米線對霍亂毒素B亞基(CTB)檢測的光電化學傳感器(圖10)。該系統(tǒng)過程是基于AuNPs連接TiO2納米線產(chǎn)生LSPR引起電化學場放大效應(yīng)來提高光電響應(yīng)的，光激發(fā)AuNPs/TiO2

圖9納米金提高光電流示意圖

Fig.9Schematic diagram of gold nanoparticles enhanced photocurrent

納米結(jié)構(gòu)，納米金CB上的自由電子產(chǎn)生集體相干振蕩，形成一個電磁場，而納米金表面修飾的受體干擾其與TiO2之間的電磁場耦合效率，因此，從AuNPs轉(zhuǎn)換到TiO2納米線的能量會改變，導(dǎo)致光電流的變化。該體系對CTB的檢測限達到1.67×10-10mol·L-1。

圖10　納米金/納米線光電響應(yīng)示意圖

3展望

雖然金納米復(fù)合材料構(gòu)建光電化學傳感器的研究得到迅猛發(fā)展，但該體系的光電分析原理仍然缺乏完整的理論體系，許多方面有待進一步研究。如，利用金納米棒與量子點或熒光金團簇三維自組裝體系構(gòu)建新型手性傳感器，拓寬其檢測范圍；利用金團簇發(fā)光效應(yīng)、碳納米管電子傳輸和光電轉(zhuǎn)化及場效應(yīng)管電子功率放大等特點，設(shè)計金納米復(fù)合材料光電傳感器的檢測芯片等。為提高光電傳感器的轉(zhuǎn)換效率，促進光生電子的捕獲和傳輸能力，還需要進一步開發(fā)超靈敏的光電活性材料，構(gòu)建以金納米或碳納米-半導(dǎo)體復(fù)合材料的傳感界面。同時，發(fā)展光電技術(shù)與其它技術(shù)的協(xié)同，開發(fā)高穩(wěn)定性、模塊化、微型化的分析儀器，將光電化學傳感器實時地應(yīng)用于藥物發(fā)現(xiàn)、食品安全、生物分子和環(huán)境檢測等領(lǐng)域。

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Photoelectrochemical Sensor of Gold Nano-particle Composite and Its Application

JIN Lang-ping1,Halidan·JUMAHAN2,JIANG Zhong-ying1

(1.CollegeofElectronicandInformationEngineering,YiliNormalUniversity，Yining835000,China;

2.CollegeofChemistryandBiologicalSciences,YiliNormalUniversity，Yining835000,China)

Abstract：In a photoelectrochemical(PEC) sensor,light is used as excitation signal to quantitatively obtain the relationship between the analyte and the photocurrent by means of electrochemical and biological identification.Compared to individual material,the photoelectric conversion rate and light response of the gold nano-particle composite sensing system increase significantly due to excellent conductivity and localized surface plasmon resonance(LSPR).In this paper,the mechanism and applications of photoelectrochemical sensors are summarized,the gold nano-particle composite sensing system and its photoelectric response analysis and applications are reviewed.

Keywords：gold nano-particle；photoelectrochemical sensor；electron transfer；photoelectric conversion；photocurrent;gold nano-particle composite

中圖分類號：O 432.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5425(2016)01-0001-06

作者簡介：靳浪平(1990-)，男，陜西渭南人，碩士研究生，研究方向：光電化學傳感器，E-mail:jinlangping88@163.com；通訊作者：蔣中英，教授，E-mail：hld333@163.com。

收稿日期：2015-10-09

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11464047)

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.01.001