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光催化半导体材料纳米氧化物 在生物传感器中的应用  孙红巍 张佳奥 李心智 目录 半导体材料光催化性能简介 金属氧化物纳米材料在生物传感上的应用 光催化机理 由于半导体能带的不连续性，电子与空穴的寿命较长，在电场的作用下，电子与空穴发生分离，并随之迁移到半导体表面的不同位置。他们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂表面上的物质发生氧化或还原反应。 光生空穴能够与吸附在半导体表面的H2O发生作用生成羟基自由基（OH·）. OH·是一种活性更高的氧化物种，能够氧化多种有机物并使之矿化。同时，光生电子也能够与O2发生作用生成HO·和O2-·等活性氧类。 半导体光催化反应基本原理 2.2 纳米半导体金属氧化物在生物传感器上的应用 光电化学生物传感器是基于物质的光电转换特性确定待测物浓度的一类检测装置。具有光电化学活性的物质受光激发后发生电荷分离或电荷传递过程, 从而形成光电压或者光电流，待测物与光电化学活性物质之间的物理、化学相互作用产生的光电流或光电压的变化与待测物的浓度间的关系, 是传感器定量检测的基础。 目前，纳米结构光电极主要有：纳米颗粒组成的光电极，此薄膜电极具有大的比表面积，便于生物固定化；核壳结构构建的光电极；一维纳米结构构建的光电极，一维纳米结构可以提供更快的电子传输，减少光生载流子的复合；三维纳米结构构建的光电极，三维纳米结构可以提供大的比表面积，更有效的光捕获和载流子。 纳米棒 例如，某课题组制备的基于ZnO 纳米棒的第三代安培型葡萄糖传感器，固定于ZnO 纳米棒的葡萄糖氧化酶表现出很高的催化活性，构建的传感器在一个很宽的线性范围内具有高灵敏度和良好的选择性。 基于葡萄糖氧化酶修饰的 ZnO 纳米棒阵列构建的第三代安培型葡萄糖传感器 纳米线 某课题组以热蒸发的方法制备了 Sb（锑） 掺的 SnO2纳米线，然后修饰过氧化物酶构建过氧化氢生物传感器。纳米线表现出优异的电子传输能力和对过氧化氢的高的电活性，由其构建的生物传感器表现出高灵敏度、宽线性范围和长期稳定性。 Sb 掺 SnO2纳米线 纳米管 纳米管可以认为中空的纳米线，因此，它除了具备纳米线的优异特性外，纳米管状结构将具有更大的比表面积，更有利于生物分子的固定及其活性的保持。 某 课题组通过电沉积的方式在金电极上沉积 ZnO 纳米线阵列，然后通过化学腐蚀的方法形成纳米管阵列，然后以交联的方式将葡萄糖氧化酶固定到纳米管阵列，构建葡萄糖生物传感器。传感器表现出对葡萄糖快速的响应，与基于纳米棒和平面结构的生物传感器相比，该传感器显现出更宽的线性范围和更高的灵敏度。 ZnO 纳米管阵列 三维金属氧化物电极 一维纳米结构的另外一个重要的应用就是作为基本的单元构建三维网络结构，在此基础上，将三维网络转移至导电衬底上，便可以构建三维多孔电极。 三维多孔电极，就是构建电极的薄膜存在众多的孔道，由此表现出了超大的比表面积和短的离子扩散长度。如图 所示，Wang 课题组通过电化学沉积的方法在泡沫镍上沉积三维多孔Co3O4薄膜，并应用于锂离子电池中，表现出比 Co3O4箔阳极更优越的充放电能力。 三维多孔 Co3O4薄膜 谢谢！