半導(dǎo)體納米材料在光電化學(xué)生物傳感器中的研究進(jìn)展

李孟潔,袁 若,柴雅琴

（西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶400715）

0 引言

生物傳感器是典型的多學(xué)科交叉和發(fā)展的產(chǎn)物，它融合了分析化學(xué)、生命科學(xué)、材料學(xué)、納米技術(shù)及信息科學(xué)技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的特點(diǎn)，是目前極其熱門(mén)的研究領(lǐng)域，具有十分重要的科學(xué)研究意義。其中，光電化學(xué)（photoelectrochemistry,PEC）生物傳感器是一種結(jié)合了PEC分析技術(shù)及生物傳感技術(shù)而發(fā)展的新型檢測(cè)方法，不但集合了光學(xué)方法和電化學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)于一身，而且比傳統(tǒng)的分析技術(shù)具有更高的靈敏度、更低的背景信號(hào)、更簡(jiǎn)單的操作、更低的成本[1-2]。近年來(lái)，由于PEC生物傳感器在各種分析物的檢測(cè)方面具有優(yōu)異的性能，引起了人們的極大研究興趣。生命科學(xué)的不斷發(fā)展對(duì)現(xiàn)有的分析方法提出了更高的要求，進(jìn)一步刺激了PEC生物傳感器的持續(xù)進(jìn)步，對(duì)其各項(xiàng)分析性能提出了極大的挑戰(zhàn)。因此，關(guān)注PEC生物傳感器中的新方法和新技術(shù)，篩選性能優(yōu)良的光電材料、結(jié)合高效的信號(hào)放大策略，對(duì)提高PEC生物傳感器的各項(xiàng)分析性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的高靈敏檢測(cè)起著重大作用。該文擬簡(jiǎn)要介紹PEC生物傳感器的原理，重點(diǎn)評(píng)述近幾年半導(dǎo)體納米材料在PEC生物傳感器中的研究進(jìn)展。

1 光電化學(xué)生物傳感器簡(jiǎn)介

1839年，法國(guó)科學(xué)家Alexander-Edmond Becquerel's在一次巴黎學(xué)術(shù)會(huì)議上首次報(bào)道了關(guān)于光電化學(xué)（PEC）的研究成果。直到20世紀(jì)中葉，科學(xué)家才對(duì)此成果做了深入研究，而后該項(xiàng)成果引起了人們的極大關(guān)注。PEC反應(yīng)包括光電轉(zhuǎn)換和電信號(hào)產(chǎn)生這兩個(gè)過(guò)程。具體如下：當(dāng)光源照射在反應(yīng)體系上時(shí)，具有光電活性的物質(zhì)吸收光子而處于激發(fā)態(tài)，電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，引發(fā)電荷與空穴的分離，同時(shí)在電極、電極材料和電解液之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移和氧化還原反應(yīng)，最終產(chǎn)生光電流或光電壓信號(hào)響應(yīng)[3-5]。該過(guò)程實(shí)現(xiàn)了從光能到電能的轉(zhuǎn)換。PEC反應(yīng)主要被用到了PEC分析檢測(cè)、PEC催化及太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域[6-8]。該文集中介紹PEC分析檢測(cè)方面的內(nèi)容。

PEC生物傳感器，是一種結(jié)合了PEC分析技術(shù)及生物傳感技術(shù)而發(fā)展的新型檢測(cè)方法[9]。它將光信號(hào)輸入與電信號(hào)輸出相結(jié)合，是一種極具應(yīng)用前景的分析技術(shù)，與傳統(tǒng)的光分析、電分析方法相比它具有更好的穩(wěn)定性、更低的背景噪音、更高的靈敏度及精確性，因此近年來(lái)受到了越來(lái)越多科研工作者的關(guān)注，同時(shí)在分析化學(xué)領(lǐng)域占據(jù)重要的地位[10-13]。如圖1所示，PEC生物傳感器由光源、目標(biāo)物識(shí)別單元、光電活性材料、信號(hào)轉(zhuǎn)換器和信號(hào)輸出裝置組成。其檢測(cè)原理可概括如下：光照可以激發(fā)相應(yīng)光電材料的光電性能，即產(chǎn)生光電流或光電壓信號(hào)。加入目標(biāo)物后，該光電材料所產(chǎn)生的輸出信號(hào)會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。在一定范圍內(nèi)，電信號(hào)的變化值與目標(biāo)物的濃度存在某種函數(shù)關(guān)系，因此可以通過(guò)函數(shù)關(guān)系以及測(cè)得的電信號(hào)變化值實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的檢測(cè)。目前，作為一種簡(jiǎn)單、高效的分析檢測(cè)技術(shù)，PEC生物傳感器已得到了蓬勃發(fā)展，尤其在疾病診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全分析、藥物分析、生命分析及病原微生物研究等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[14-17]。

圖1 光電化學(xué)生物傳感器的檢測(cè)原理示意圖Fig.1 Scheme of the detection principle for PEC biosensor

2 光電材料的分類(lèi)及應(yīng)用

構(gòu)建PEC傳感體系用于生物分析時(shí)，修飾在傳感界面的光電材料及生物識(shí)別探針是兩個(gè)關(guān)鍵要素。在特定條件下，光能會(huì)被光電材料轉(zhuǎn)化為電能，這樣便可對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定量指示[18-20]。光能到電能的轉(zhuǎn)化過(guò)程如下：外部光源照射反應(yīng)體系，光電材料吸收光子（其能量大于光電材料禁帶寬度），價(jià)帶電子被激發(fā)后躍遷至導(dǎo)帶，在價(jià)帶上留有空穴，由此產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)[21-22]。此后，光電材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)電子流動(dòng)方向，即電子-空穴復(fù)合和電子傳遞[23-25]。用n型半導(dǎo)體作光電材料時(shí)，導(dǎo)帶的電子將遷移至電極，電解質(zhì)溶液中的電子供體將為價(jià)帶提供源源不斷的電子補(bǔ)給，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生如圖2A所示的陽(yáng)極光電流信號(hào)[26-27]。用p型半導(dǎo)體作光電材料時(shí)，導(dǎo)帶的電子將傳遞到電解質(zhì)溶液中，與此同時(shí)電極會(huì)提供電子用來(lái)中和價(jià)帶的空穴，此時(shí)會(huì)得到如圖2B所示的陰極光電流信號(hào)[28]。

圖2 n型半導(dǎo)體（A）及p型半導(dǎo)體（B）產(chǎn)生光電流的示意圖Fig.2 Schematic diagram of photocurrent generated form n-type semiconductor(A)and p-type semiconductor(B)

光電流的大小是光電材料的光電轉(zhuǎn)化效率的直接體現(xiàn)，其對(duì)目標(biāo)物的分析檢測(cè)有著極其重要的影響，故光電材料的選擇是構(gòu)建PEC生物傳感器的核心要素之一。選擇物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定及光電化學(xué)活性優(yōu)良的光電材料以構(gòu)建PEC生物傳感器并將其應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)是目前科研工作者的關(guān)注重點(diǎn)之一。隨著對(duì)納米材料及PEC生物傳感技術(shù)的深入探索，目前可用于PEC生物分析檢測(cè)的光電材料種類(lèi)得到了極大的拓展，可將其分為以下四類(lèi)：（1）以TiO2、ZnO、Bi2S3、CdTe、CdS等為例的無(wú)機(jī)類(lèi)光電材料；（2）包括有機(jī)小分子、有機(jī)金屬配合物、高分子聚合物在內(nèi)的有機(jī)類(lèi)光電材料；（3）各類(lèi)復(fù)合型光電材料；（4）其他光電材料。

2.1 無(wú)機(jī)類(lèi)光電材料

無(wú)機(jī)類(lèi)半導(dǎo)體材料可通過(guò)多種方法制備而得，具有成本低廉、合成簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)尺寸可控等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前研究和應(yīng)用最為普遍的一類(lèi)光電材料[29-33]。更為重要的是，可以通過(guò)調(diào)控形貌、尺寸及結(jié)構(gòu)來(lái)控制該類(lèi)材料的性能，使其表現(xiàn)出優(yōu)異的光電化學(xué)活性。常見(jiàn)的無(wú)機(jī)類(lèi)光電材料包括TiO2、ZnO、WO3、Cu2O、Bi2S3、MoS2、ZnS、CdS、CdTe、CdSe等。近些年來(lái)，許多已報(bào)道的PEC生物傳感體系均采用無(wú)機(jī)光電材料作為信號(hào)產(chǎn)生源[34-38]。

TiO2是一種經(jīng)典的n型半導(dǎo)體，其制備方法簡(jiǎn)單、高效，所用原材料價(jià)格低廉、易得，更為重要的是它具有良好的生物相容性、優(yōu)異的光穩(wěn)定性、較快的電荷傳導(dǎo)速率以及卓越的光電化學(xué)活性，故TiO2被廣泛應(yīng)用于PEC生物傳感體系[39-41]。隨著人們對(duì)TiO2研究的逐漸深入，不同形態(tài)的TiO2被成功制備，比如納米線、納米片、納米顆粒、納米棒、納米陣列管等[42-46]。將TiO2制備成不同的形態(tài)可以有效的擴(kuò)展材料對(duì)光的吸收范圍、提高光電轉(zhuǎn)化效率、增強(qiáng)光電信號(hào)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏檢測(cè)。Zhang的團(tuán)隊(duì)[47]通過(guò)水熱法合成了由TiO2納米棒陣列修飾的電極，并在此基礎(chǔ)上成功構(gòu)建了用于靈敏檢測(cè)葡萄糖的PEC生物傳感器。該項(xiàng)工作所用到的TiO2納米棒陣列具有大的比表面積以及良好的光電特性，是一種有效的光電信號(hào)指示劑。同時(shí)，TiO2納米棒價(jià)帶的光生空穴能直接被底液中的葡萄糖捕獲，完成簡(jiǎn)單高效的目標(biāo)物識(shí)別（圖3）。

圖3 TiO2納米棒陣列作為光電信號(hào)指示劑構(gòu)建PEC生物傳感器[47]Fig.3 Scheme of the principle for PEC biosensor using TiO2 nanorod array as PEC signal indicator

Tang課題組[48]將缺陷化的TiO2-x納米棒作為光電材料修飾于電極表面，同時(shí)結(jié)合金納米顆粒(Au NPs)的表面等離子共振增強(qiáng)技術(shù)，構(gòu)建了用于靈敏分析目標(biāo)DNA的PEC生物傳感平臺(tái)。缺陷化對(duì)材料的光電性能有極大的影響，對(duì)調(diào)節(jié)、優(yōu)化材料的PEC性能起著至關(guān)重要的作用（圖4）。氧空位缺陷被引入到寬禁帶的TiO2中，能夠擴(kuò)展材料對(duì)光的吸收范圍、提高反應(yīng)活性、增強(qiáng)光電響應(yīng)[49]。另外，Au NPs的引入可實(shí)現(xiàn)對(duì)光電信號(hào)響應(yīng)的進(jìn)一步增強(qiáng)，提高傳感器對(duì)目標(biāo)DNA的分析性能。

圖4 分別用缺陷化TiO2-x納米棒（A）及原始TiO2（B）作為光電信號(hào)指示劑構(gòu)建PEC生物傳感器[48]Fig.4 Scheme of the principle for PEC biosensor using(A)defect-engineered TiO2-x nanobars and(B)pristine TiO2 as PEC signal indicator

半導(dǎo)體量子點(diǎn)(Quantum dots，QDs)是尺寸在15 nm以內(nèi)的球形納米晶體，由于該類(lèi)材料的尺寸接近或小于激子玻爾半徑，其表現(xiàn)出了傳統(tǒng)材料所不具備的特殊性質(zhì)，如明顯的比表面積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及量子隧道效應(yīng)等[50-53]。另外，量子點(diǎn)具有制備簡(jiǎn)單高效、量子產(chǎn)率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、易于功能化、吸收譜范圍較寬等特性[54-55]。該類(lèi)材料的光學(xué)性能具有尺寸依賴性，因此還可以通過(guò)調(diào)控粒徑及組分以優(yōu)化量子點(diǎn)的光學(xué)性能[56-58]。上述優(yōu)勢(shì)極大地促進(jìn)了量子點(diǎn)在發(fā)光領(lǐng)域的應(yīng)用，在PEC傳感領(lǐng)域的應(yīng)用尤其廣泛。

在外部光源的激發(fā)下，CdS QDs價(jià)帶的電子吸收光子躍遷至導(dǎo)帶，于是產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，與塊狀CdS相比，CdS QDs所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)能更加快速地轉(zhuǎn)移并發(fā)生氧化還原反應(yīng)而消耗，極大地降低了電子與空穴之間的復(fù)合幾率[59-60]。在PEC傳感領(lǐng)域，CdS QDs常被用作光電信號(hào)指示劑，可通過(guò)共價(jià)結(jié)合、吸附、標(biāo)記等方式修飾于傳感界面[61-62]。Xu等[63]利用CdS QDs與銀納米簇（Ag NCs）之間的共振能量轉(zhuǎn)移作用，構(gòu)建了用于目標(biāo)DNA檢測(cè)的PEC傳感體系，如圖5所示。首先將CdS QDs修飾于傳感界面，可得到一個(gè)較大的光電流響應(yīng)。緊接著，孵育發(fā)夾DNA，當(dāng)目標(biāo)DNA存在時(shí)，發(fā)夾DNA會(huì)與其雜交。發(fā)夾DNA未雜交的部分能夠進(jìn)一步與結(jié)合了Ag NCs的DNA探針雜交。由于CdS QDs與Ag NCs之間存在共振能量轉(zhuǎn)移作用，此時(shí)的光電流響應(yīng)能夠被顯著猝滅?；谏鲜龉怆娏餍盘?hào)變化可定量分析目標(biāo)DNA。

圖5 基于CdS QDs與Ag NCs之間共振能量轉(zhuǎn)移作用構(gòu)建PEC傳感器[63]Fig.5 Scheme of the principle for PEC sensor based on the energy transfer between CdS QDs and Ag NCs

Xu等[64]將CdS QDs作為光電材料修飾于電極表面，再以特殊設(shè)計(jì)的DNA為橋梁，將Au NPs及TATA鏈接蛋白（TBP）結(jié)合到傳感體系中，構(gòu)建了PEC生物傳感體系，如圖6所示。在一定的距離范圍內(nèi)，CdS QDs與Au NPs之間存在共振能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)，即Au NPs可有效猝滅CdS QDs的光電流信號(hào)。當(dāng)目標(biāo)物TBP被加入后，TBP可以與特殊設(shè)計(jì)的DNA識(shí)別，使直立的DNA發(fā)生彎曲，從而導(dǎo)致Au NPs靠近電極表面的CdS QDs以達(dá)到信號(hào)猝滅的效果。另外，TBP與DNA的結(jié)合會(huì)產(chǎn)生較大的空間位阻效應(yīng)，這使得電子供體的供給通道被阻礙，進(jìn)一步猝滅CdS QDs光電流信號(hào)。在雙重猝滅作用下，目標(biāo)物濃度越大，產(chǎn)生的信號(hào)猝滅越強(qiáng)，由此可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)蛋白的定量分析。

圖6 用CdS QDs作為光電信號(hào)指示劑結(jié)合雙重猝滅效應(yīng)構(gòu)建PEC生物傳感器[64]Fig.6 Scheme of the principle for PEC biosensor using CdS QDs as PEC signal indicator coupling with double quenching effects

CdTe QDs作為一種極具應(yīng)用前景的半導(dǎo)體材料也常被用于構(gòu)建生物傳感器[65-67]。Dai等[68]報(bào)道了一種基于CdTe QDs與Au NPs之間共振能量轉(zhuǎn)移作用構(gòu)建的PEC生物傳感器用于實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白的靈敏檢測(cè)，見(jiàn)圖7。CdTe QDs作為基底光電材料被固定于電極表面，此時(shí)可得到一個(gè)較高的基礎(chǔ)信號(hào)。

圖7 基于CdTe QDs與Au NPs之間共振能量轉(zhuǎn)移作用構(gòu)建PEC傳感器[68]Fig.7 Scheme of the principle for PEC sensor based on the energy transfer between CdTe QDs and Au NPs

接著，在修飾有CdTe QDs的電極表面孵育上DNA探針，進(jìn)一步通過(guò)核酸雜交作用將修飾有Au NPs的DNA探針引至上述電極表面。CdTe QDs與Au NPs之間存在能量轉(zhuǎn)移作用，故此時(shí)得到一個(gè)顯著降低的光電流信號(hào)。加入目標(biāo)蛋白后，目標(biāo)物與其適體序列特異性結(jié)合，已雜交的核酸雙鏈解旋，使修飾有Au NPs的探針脫落，此時(shí)光電信號(hào)得到恢復(fù)。目標(biāo)蛋白濃度越大，光電信號(hào)恢復(fù)越強(qiáng)，基于此可定量分析目標(biāo)蛋白。

除此之外，CdTe QDs也常被用做標(biāo)記材料實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)物的分析檢測(cè)。如圖8所示，Zhao等[69]用CdTe QDs作為光電信號(hào)探針構(gòu)建了一個(gè)信號(hào)猝滅型PEC傳感器用于對(duì)蛋白酶檢測(cè)。首先將CdTe QDs標(biāo)記的特異性肽段修飾在電極表面，當(dāng)目標(biāo)蛋白酶存在時(shí)，該蛋白酶與肽段特異性識(shí)別，肽段被剪切，修飾的CdTe QDs也隨之脫落，從而得到一個(gè)降低的信號(hào)響應(yīng)，信號(hào)變化值可用于定量目標(biāo)蛋白酶。

圖8 用CdTe QDs作為光電信號(hào)探針構(gòu)建PEC生物傳感器[69]Fig.8 Scheme of the principle for PEC biosensor using CdTe QDs as PEC signal probe

目前，已有大量的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料被用作光電信號(hào)發(fā)射源以構(gòu)建PEC生物傳感器[70-72]。然而，諸如TiO2、ZnO在內(nèi)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的能帶寬度都比較大[73-74]，需要具有較高能量的光子才能激發(fā)其內(nèi)部電子的躍遷，即這類(lèi)材料對(duì)于輻照光源的波長(zhǎng)范圍有特定的要求。此外，單純的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料被光源激發(fā)之后，其內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)電子-空穴分離和電子-空穴復(fù)合這兩個(gè)電子流向，由于電子-空穴復(fù)合的機(jī)率較大，該類(lèi)材料光電轉(zhuǎn)化效率會(huì)受到嚴(yán)重影響。隨著人們對(duì)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料研究的不斷深入，基于無(wú)機(jī)類(lèi)的復(fù)合型光電材料是目前研究最多且最為成熟的一類(lèi)，下文將詳細(xì)介紹復(fù)合型光電材料。

2.2 有機(jī)類(lèi)光電材料

有機(jī)類(lèi)光電材料是指在外部光源激發(fā)下其電子從最高占據(jù)軌道(HOMO)躍遷至最低空軌道(LUMO)，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)及電子傳遞的有機(jī)分子。與無(wú)機(jī)類(lèi)光電材料相比，有機(jī)光電材料的價(jià)格更為低廉，同時(shí)其結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控，因此該類(lèi)材料現(xiàn)已被大量應(yīng)用于相關(guān)電子元件、太陽(yáng)能電池及PEC生物傳感器的制備[75-77]。該類(lèi)材料的典型代表包括酞菁及其衍生物、偶氮染料、卟啉類(lèi)、蒽醌類(lèi)、金屬有機(jī)配合物、聚噻吩

類(lèi)[78-83]。

金屬有機(jī)配合物是由金屬離子與具有較大離域電子體系的有機(jī)配體結(jié)合而成的一類(lèi)重要有機(jī)光電材料[84]。目前，在PEC傳感領(lǐng)域應(yīng)用較多的是金屬銥配合物和金屬釕配合物。Dai等[85]通過(guò)核酸雜交，將具有大量雙鏈的DNA結(jié)構(gòu)固載到電極表面，最后將能夠嵌插DNA雙鏈的釕-聯(lián)吡啶配合物（Ru(bpy)2dppz2+）引入到整個(gè)體系中。釕-聯(lián)吡啶配合物具有較好的光電性能，作為光電信號(hào)探針能實(shí)現(xiàn)有效的信號(hào)輸出。目標(biāo)物濃度越大，得到的具有大量雙鏈的DNA結(jié)構(gòu)越多，因此能夠嵌插的釕-聯(lián)吡啶配合物就越多，基于此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的定量檢測(cè)（圖9）。

圖9 用Ru(bpy)2dppz2+作為光電信號(hào)探針構(gòu)建PEC生物傳感器[85]Fig.9 Scheme of the principle for PEC biosensor using Ru(bpy)2dppz2+as PEC signal probe

如圖10所示，Luo等[86]用 金 屬 銥 配 合 物（[(C6)2Ir(dppz)]+PF6-）作為光電信號(hào)探針構(gòu)建PEC生物傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)RNA的分析。目標(biāo)RNA及發(fā)夾DNA的加入將引發(fā)雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在電極表面產(chǎn)生大量的DNA雙鏈結(jié)構(gòu)。金屬銥配合物不僅具有優(yōu)異的光電性能，還能夠穩(wěn)定的嵌插進(jìn)DNA雙鏈的溝壑中。目標(biāo)物濃度越大，產(chǎn)生的光電信號(hào)響應(yīng)越強(qiáng)。

圖10 用[(C6)2Ir(dppz)]+PF6-作為光電信號(hào)探針構(gòu)建PEC生物傳感器[86]Fig.10 Scheme of the principle for PEC biosensor using[(C6)2Ir(dppz)]+PF6-as PEC signal probe

純有機(jī)染料的種類(lèi)繁多且具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，例如合成原材料豐富、合成方法簡(jiǎn)單、制造成本低廉；不含對(duì)環(huán)境有污染的重金屬、環(huán)境友好；常含有大的共軛體系，被可見(jiàn)光激發(fā)更為容易；摩爾消光系數(shù)較高，對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的提高極其有利；該類(lèi)材料的結(jié)構(gòu)可塑性較強(qiáng)，能夠通過(guò)加入相應(yīng)基團(tuán)或改變結(jié)構(gòu)以合成所需材料。因此，純有機(jī)染料也常被當(dāng)作光電材料或敏化劑應(yīng)用于光電傳感及太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。亞甲基藍(lán)（methylene blue,MB）作為經(jīng)典的純有機(jī)染料，同時(shí)還具有優(yōu)異的電子傳輸能力[87]，是一種極具應(yīng)用前景的光電物質(zhì)。如圖11所示，Li等[88]報(bào)道了一個(gè)以MB為光電信號(hào)探針的PEC生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)RNA的檢測(cè)。沒(méi)有目標(biāo)RNA時(shí)，由于靜電排斥作用，標(biāo)記有MB的單鏈將遠(yuǎn)離電極表面，不能實(shí)現(xiàn)良好的電子傳輸，此時(shí)的光電流響應(yīng)極其微弱。當(dāng)有目標(biāo)RNA存在時(shí)，RNA與標(biāo)記有MB的單鏈DNA雜交，在T7剪切酶的作用下，標(biāo)記有MB的單鏈DNA將被剪切成DNA碎片，目標(biāo)RNA被釋放進(jìn)行下一次雜交、剪切。此時(shí)將得到大量MB標(biāo)記的單核苷酸，由于它比MB標(biāo)記的單鏈DNA尺寸小、所帶負(fù)電荷少，所以它對(duì)帶負(fù)電荷電極表面的擴(kuò)散率將大大提高，此時(shí)可以得到較強(qiáng)的光電流響應(yīng)。目標(biāo)RNA濃度越大，得到的光電流響應(yīng)信號(hào)越強(qiáng)，基于此可定量分析目標(biāo)RNA。

圖11 亞甲基藍(lán)作為光電材料構(gòu)建PEC生物傳感器[88]Fig.11 Scheme of the principle for PEC biosensor based on methylene blue as photoactive material

雖然單一的有機(jī)類(lèi)光電材料具有一定的光電特性，可以用做生物傳感器的信號(hào)材料，但是其自身性質(zhì)的局限性會(huì)導(dǎo)致其光電轉(zhuǎn)換效率不夠高，所產(chǎn)生的光電流信號(hào)響應(yīng)較小，從而會(huì)進(jìn)一步影響檢測(cè)目標(biāo)物時(shí)的線性范圍及檢測(cè)限。目前，人們對(duì)各類(lèi)光電材料的研究逐漸深入，基于有機(jī)類(lèi)的復(fù)合材料也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，該類(lèi)復(fù)合型光電材料將在下文詳細(xì)介紹。

2.3 復(fù)合型光電材料

使用單一的光電材料構(gòu)建PEC傳感器，都會(huì)由于材料本身的局限而導(dǎo)致有限的光電轉(zhuǎn)化效率，從而進(jìn)一步導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的精確度及靈敏度不夠高。將窄帶隙光電材料與寬帶隙光電材料相結(jié)合，形成敏化結(jié)構(gòu)能顯著提高光電轉(zhuǎn)化效率[89-91]。兩種或多種光電材料被復(fù)合，它們具有相互匹配的能帶值，由光照激發(fā)后光生電子將從窄帶材料遷移至寬帶材料，從而促進(jìn)光生電子的轉(zhuǎn)移，提高電子空穴的分離幾率，降低電子空穴的復(fù)合，由此顯著的提高光電轉(zhuǎn)化效率[92-94]。這類(lèi)復(fù)合型光電材料的種類(lèi)較多，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于PEC傳感器領(lǐng)域。

目前，以TiO2為基礎(chǔ)的研究較多同時(shí)也較全面，然而由于其禁帶寬度較大（3.2 eV），只可被紫外區(qū)域的光激發(fā)，這在極大程度上限制了TiO2的光電檢測(cè)應(yīng)用。近年來(lái)，人們通過(guò)使用窄帶隙光電材料對(duì)TiO2進(jìn)行合理敏化以擴(kuò)寬其吸收光譜范圍。如圖12所示，Wu課題組[95]用有機(jī)染料二支鏈三苯胺（T(TA)2）敏化TiO2構(gòu)建了用于檢測(cè)有機(jī)磷酸酯殺蟲(chóng)劑（OPs）的PEC傳感器。沒(méi)有目標(biāo)物OPs時(shí)，在乙酰膽堿酯酶（AChE）的催化下產(chǎn)生大量硫代膽堿（TCh），得到的TCh可完全補(bǔ)給體系中產(chǎn)生的氧化空穴，從而導(dǎo)致較高的光電流信號(hào)。然而，當(dāng)有目標(biāo)物OPs存在時(shí)，AChE的活性被抑制，只能產(chǎn)生少量的TCh，由此導(dǎo)致光電流信號(hào)顯著降低。通過(guò)定量分析OPs加入前后的光電流信號(hào)變化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物OPs的靈敏檢測(cè)。

圖12 二支鏈三苯胺敏化TiO2構(gòu)建PEC傳感器[95]Fig.12 Scheme of the principle for PEC sensor based on dibranched triphenylamine dye sensitized TiO2 nanocomposites

最近，Xia等[96]基于鋅（II）四苯基卟啉敏化TiO2報(bào)道了一種用于檢測(cè)谷胱甘肽（GSH）的PEC生物傳感器，見(jiàn)圖13。研究通過(guò)軸向配位反應(yīng)將鋅（II）四苯基卟啉與電極表面的TiO2結(jié)合，由于鋅（II）四苯基卟啉具有強(qiáng)的光吸收能力，可有效敏化TiO2，得到的光電流響應(yīng)極其穩(wěn)定。向反應(yīng)體系中加入目標(biāo)物GSH后，其作為有效的還原劑能迅速提供電子，為鋅（II）四苯基卟啉的HOMO能級(jí)清除空穴，從而使整個(gè)體系的光電流信號(hào)得到顯著增強(qiáng)。由目標(biāo)物引起的信號(hào)變化可作為定量檢測(cè)GSH的依據(jù)。該P(yáng)EC傳感器對(duì)于GSH的檢測(cè)范圍為80 μmol/L至5000 μmol/L。

圖13 鋅（II）四苯基卟啉敏化TiO2構(gòu)建PEC傳感器[96]Fig.13 Scheme of the principle for PEC sensor based on zinc(II)tetraphenylporphyrin sensitized TiO2

除了用有機(jī)分子對(duì)TiO2進(jìn)行敏化之外，很多研究工作還選用其他窄能帶無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料與TiO2耦合，形成敏化結(jié)構(gòu)，以此來(lái)擴(kuò)寬TiO2的應(yīng)用光譜范圍。如圖14所示，Zhang課題組[97]用硒化鎘及釩酸鉍共敏化電極表面的TiO2，構(gòu)建了一種PEC免疫傳感器檢測(cè)癌胚抗原。首先將TiO2修飾于傳感界面，再固載抗體一，接著通過(guò)抗原抗體的特異性結(jié)合作用依次修飾上癌胚抗原及抗體二，最后通過(guò)物理吸附將敏化劑釩酸鉍包硒化鎘固載到電極界面。共敏化的應(yīng)用能夠?qū)iO2的吸收范圍從紫外區(qū)擴(kuò)展到可見(jiàn)光區(qū)，使光能得到充分的利用。再者，TiO2與釩酸鉍、硒化鎘之間存在較好的能帶匹配，這會(huì)促進(jìn)電子-空穴對(duì)的分離及電子的傳輸，最終使得光電性能得到有效改善。此PEC免疫傳感體系對(duì)目標(biāo)蛋白的檢測(cè)范圍為0.01 ng/mL至50 ng/mL。

圖14 釩酸鉍包硒化鎘共敏化TiO2納米棒構(gòu)建PEC免疫傳感器[97]Fig.14 Scheme of the principle for PEC immunosensor based on CdSe@BiVO4 co-sensitized TiO2 nanorods

如圖15所示，Ju等[98]通過(guò)水熱法將硫化銦鎂納米片生長(zhǎng)于TiO2納米線上，合成了硫化銦鎂-TiO2異質(zhì)結(jié)，再基于此構(gòu)建了PEC生物傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)三磷酸腺苷的檢測(cè)。目標(biāo)物存在時(shí)，能夠?qū)⒛┒诵揎椨卸F的DNA2鏈固載到電極表面，二茂鐵作為電子供體能為光電材料的價(jià)帶供給電子，有效清除光生空穴，從而使光電流信號(hào)得到顯著增強(qiáng)。更重要的是，硫化銦鎂-TiO2異質(zhì)結(jié)在可見(jiàn)光區(qū)域有較強(qiáng)的光吸收能力，同時(shí)其具有較大的比表面積對(duì)生物分子的固載極其有利。

圖15 基于硫化銦鎂-TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)建PEC傳感器[98]Fig.15 Scheme of the principle for PEC sensor based on MgIn2S4-TiO2 heterojunction

另外，將其他不具光電活性的材料與光電材料復(fù)合也可以在一定程度上改善材料的光電轉(zhuǎn)化效率。具體來(lái)說(shuō)，這是由以下兩個(gè)原因所導(dǎo)致的：一方面，非光電材料能夠增強(qiáng)整個(gè)復(fù)合材料體系的導(dǎo)電性能，使得光電材料中的光生電子與光生空穴得到有效分離，同時(shí)光生電子實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)移；另一方面，引進(jìn)的非光電材料可以擴(kuò)寬光電材料對(duì)光波的吸收范圍，提高材料對(duì)外部光源的利用率，從而提高光電流響應(yīng)。

Hun等[99]通過(guò)氯金酸的還原反應(yīng)將納米金（Au NPs）修飾于石墨烯表面，再將該復(fù)合物用于制備PEC生物傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)RNA的分析檢測(cè)。

引入的Au NPs具有以下雙重作用：一方面，它能夠調(diào)諧石墨烯的帶隙，促進(jìn)石墨烯內(nèi)部光生電子與光生空穴的分離；另一方面，引入的Au NPs具有表面等離子體共振效應(yīng)，它可以通過(guò)該效應(yīng)來(lái)改善整個(gè)體系中材料對(duì)可見(jiàn)光的吸收范圍，基于此來(lái)提高材料對(duì)光源的利用率。如圖16所示，目標(biāo)物存在時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)核酸雜交，將堿性磷酸酶（ALP）固定于傳感界面，ALP作為催化劑可催化底物抗壞血酸2-磷酸（AAP）生成抗壞血酸（AA）。AA作為電子供體可為光電材料補(bǔ)給電子，實(shí)現(xiàn)光電流的進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖16 基于納米金-石墨烯復(fù)合物構(gòu)建PEC傳感器[99]Fig.16 Scheme of the principle for PEC sensor based on Au NPs-graphdiyne

Xu課題組[100]用Au NPs修飾的ZnO納米棒陣列作為光電信號(hào)發(fā)射源，構(gòu)建了一個(gè)用于谷胱甘肽分析的PEC生物傳感器。修飾于ZnO納米棒表面的Au NPs吸收可見(jiàn)光，通過(guò)Au NPs的表面等離子共振效應(yīng)產(chǎn)生熱電子，基于此來(lái)提高整個(gè)體系的光電流響應(yīng)。除此之外，該傳感體系所建立的Au NPs/ZnO/FTO結(jié)構(gòu)可以極大地促進(jìn)光誘導(dǎo)電子的流動(dòng)及光電電子-光生空穴的分離，從而顯著改善光電流響應(yīng)信號(hào)。該P(yáng)EC傳感體系對(duì)谷胱甘肽的定量檢測(cè)范圍為10 μmol/L至800 μmol/L（圖17）。

圖17 基于納米金-氧化鋅構(gòu)建PEC傳感器[100]Fig.17 Scheme of the principle for PEC sensor based on Au NPs-ZnO

還有一種復(fù)合方式是對(duì)光電材料進(jìn)行元素的摻雜，該方式是能夠調(diào)節(jié)光電材料性能的、同時(shí)使用較為廣泛的方式，其主要包括金屬元素?fù)诫s及非金屬元素?fù)诫s[101-103]。元素?fù)诫s進(jìn)光電材料能夠大幅度地改善材料的固有性質(zhì)，包括其表面態(tài)、電子結(jié)構(gòu)及局部化學(xué)反應(yīng)等性質(zhì)，這些性質(zhì)的改善可以使材料具有更為突出的光學(xué)特性及電化學(xué)性能[104-105]。另外，異元素的摻雜也可能賦予光電材料新的特性及獨(dú)特的現(xiàn)象?？傊?，對(duì)光電材料進(jìn)行元素?fù)诫s可通過(guò)改善其相應(yīng)特性以提升該光電材料的應(yīng)用價(jià)值。

目前，基于氮元素?fù)诫s的研究報(bào)道最為廣泛。通常，通過(guò)摻雜氮元素而引入的缺陷能夠提高材料導(dǎo)帶中的電子活躍度，從而有效改善材料的光電性能。如圖18所示，Lee課題組[106]通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱過(guò)程制備了氮摻雜碳納米片包二氧化鈦納米顆粒復(fù)合材料，并將其用于構(gòu)建PEC生物傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖的檢測(cè)。所制備的氮摻雜型復(fù)合材料具有良好的電荷分離性能，在光照（λ>400 nm）下具優(yōu)異的PEC行為，光電流響應(yīng)高且穩(wěn)定。

圖18 基于氮摻雜碳納米片包二氧化鈦復(fù)合材料構(gòu)建PEC生物傳感器[106]Fig.18 Scheme of the principle for PEC biosensor based on nitrogen-doped carbon sheets wrapped titanium dioxide composite

Wang等[107]通過(guò)簡(jiǎn)便的一鍋水熱法合成了可見(jiàn)光響應(yīng)的磷酸鉍/三維氮摻雜石墨烯水凝膠，并用其作為復(fù)合光電材料構(gòu)建無(wú)標(biāo)記的PEC四環(huán)素適體傳感器（如圖19）。其中，磷酸鉍納米棒被錨定在三維氮摻雜石墨烯的多孔結(jié)構(gòu)上。三維氮摻雜石墨烯的引進(jìn)不僅使磷酸鉍的吸光范圍被擴(kuò)寬至可見(jiàn)光，而且使其能帶寬度縮小至2.1 eV，這對(duì)于光生電子空穴的分離極其有利。另外，氮元素?fù)诫s后所得到的三維氮摻雜石墨烯不僅具有石墨烯的固有性質(zhì)，而且具有超大的可接近表面，能夠提供更多化學(xué)活性位點(diǎn)。該氮摻雜型復(fù)合材料能提供高且穩(wěn)定的基礎(chǔ)光電流信號(hào)，隨著適體序列的加入，光電流信號(hào)顯著降低。目標(biāo)物四環(huán)素被加入后，它會(huì)與核酸適體發(fā)生特異性識(shí)別作用，從而將其核酸適體帶離電極表面，故光電流信號(hào)得到明顯的恢復(fù)。此分析平臺(tái)對(duì)四環(huán)素的檢測(cè)范圍為0.1 nmol/L至1 μmol/L。

圖19 基于磷酸鉍/三維氮摻雜石墨烯水凝膠構(gòu)建PEC適體傳感器[107]Fig.19 Scheme of the principle for PEC aptasensor based on BiPO4/nitrogen doped graphene hydrogel

金屬元素?fù)诫s也是改善材料性能的方式之一，較為常見(jiàn)的金屬摻雜包括錳、鐵、鉻、鈷、鎳、銅、鎢、鎵和鑭等元素?fù)诫s。如圖20所示，Chen課題組[108]將金屬錳摻雜進(jìn)CdS QDs中以改善CdS QDs的光電化學(xué)行為，再以此為基礎(chǔ)構(gòu)建PEC細(xì)胞傳感器。金屬錳的摻雜使CdS QDs的能帶中插入了一對(duì)d帶（4T1和6A1），改變了電子-空穴分離和復(fù)合動(dòng)力學(xué)，允許產(chǎn)生具有ms級(jí)壽命的長(zhǎng)壽命電荷載流子，其衰變速度比未摻雜時(shí)慢104至105倍。具體地，當(dāng)外部光源照射錳摻雜CdS QDs時(shí)，其導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴將首先分別轉(zhuǎn)移到Mn2+的4T1帶和6A1帶。Mn2+的4T1能帶上的電子不僅會(huì)轉(zhuǎn)移到電極上（Ke），還能夠與6A1能帶中的空穴發(fā)生復(fù)合（KMn-r）。光電流的產(chǎn)生主要取決于Ke與KMn-r之間的競(jìng)爭(zhēng)。錳摻雜CdS QDs中的長(zhǎng)壽命載流子可以提供足夠的時(shí)間延遲來(lái)匹配溶液中的氧化還原反應(yīng)，這可提高光電流信號(hào)。

圖20 錳摻雜CdS QDs中電子、空穴的傳遞過(guò)程[108]Fig.20 Scheme of the transfer process for the electron and hole in Mn-doped CdS QDs upon excitation

摻雜改性既可以提高量子效率，又能夠?qū)崿F(xiàn)材料對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)，此方法是提高材料光電化學(xué)活性的重要方法。然而，單組分摻雜不能同時(shí)改善以上兩種因素，故人們對(duì)材料進(jìn)行了多組分摻雜。目前，在利用兩種及以上的元素協(xié)同摻雜光電材料方面已取得了一定的研究進(jìn)展[109-110]。

例如，Hou課題組[109]將 兩 種 金 屬 離 子 鈥（Ho3+）、鐿（Yb3+）共摻雜進(jìn)TiO2中，再利用CdSe量子點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行敏化以構(gòu)建無(wú)標(biāo)記的PEC免疫傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)副溶血性弧菌的檢測(cè)。最近，Wang等[111]通過(guò)簡(jiǎn)易一鍋溶劑熱法合成了具有氧空位的鉬酸鉍納米顆粒-硼氮共摻雜石墨烯納米復(fù)合材料，再基于此構(gòu)建了PEC適體傳感器用于對(duì)林可霉素檢測(cè)（圖21）。

圖21 基于鉬酸鉍納米顆粒-硼氮共摻雜石墨烯納米復(fù)合材料構(gòu)建PEC適體傳感器[111]Fig.21 Scheme of the principle for PEC aptasensor based on Bi2MoO6/B,N co-doped graphene nanocomposites

硼氮共摻雜石墨烯納米片的加入顯著增加了鉬酸鉍上的氧空位數(shù)量，氧空位的存在有利于拓寬光吸收范圍及加速電荷轉(zhuǎn)移，從而提高材料的光電活性。更重要的是，C（2.55）的電負(fù)性介于B（2.05）和N（3.04）之間，可以產(chǎn)生獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，與硼、氮原子可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)以增強(qiáng)整個(gè)材料體系的光電活性。該傳感器對(duì)林可霉素的檢測(cè)范圍為10-11mol/L至10-6mol/L。

2.4 其他光電材料

除了上述三類(lèi)光電材料外，還有全碳材料[112]，某些熒光蛋白，DNA及細(xì)胞等物質(zhì)也具有一定的光電活性[113]。在光照條件下，這些光電物質(zhì)可以利用其自身的光電流信號(hào)變化來(lái)探究該物質(zhì)與其他生物分子之間的相互作用。上述具有光電化學(xué)活性的新物質(zhì)的出現(xiàn)為PEC生物傳感體系的發(fā)展提供了極為關(guān)鍵的研究思路及方法。

3 展望

光電化學(xué)傳感是多學(xué)科交叉和發(fā)展的產(chǎn)物，它融匯了分析化學(xué)、生命科學(xué)、納米技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的特點(diǎn)，具有簡(jiǎn)單、高效、背景信號(hào)低、靈敏度高、穩(wěn)定性好等顯著優(yōu)勢(shì)，在標(biāo)志物的分析檢測(cè)中發(fā)揮著重要作用。近年來(lái)，隨著納米材料、生命科學(xué)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，光電化學(xué)生物傳感器的研究得到了飛速的發(fā)展，在傳感器的設(shè)計(jì)、分析性能以及應(yīng)用范圍等方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是，發(fā)展的過(guò)程中仍然存在光電轉(zhuǎn)化效率有限、電子轉(zhuǎn)移機(jī)理不明確等不足之處。在未來(lái)的研究中，探索并發(fā)展具有更高光電轉(zhuǎn)化效率、更高實(shí)用價(jià)值且制備方法簡(jiǎn)單高效的各類(lèi)光電材料，同時(shí)深入探究各類(lèi)光電材料的物理化學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性能，尤其是研究它們?cè)诠怆娹D(zhuǎn)化過(guò)程中詳細(xì)的電子轉(zhuǎn)移機(jī)理，將是光電化學(xué)生物傳感器發(fā)展的關(guān)鍵方向。