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光电化学传感器的研究进展

摘要：光电化学传感器是电化学传感器的一种改进型，不仅器件简单、操作

方便、响应速度快、成本低、易于微型化，而且具有较低的检出限和较高的敏感

度。鉴于上述优势，越来越多的科研人员将工作重点转向光电化学领域。综述了

近年来光电化学传感器的研究进展。

关键词:光电化学发光;生物传感;进展

引言：光电化学与生物传感技术是光电化学分析技术与生物传感技术相结合

的一种新型检测方法。它有很多独特的优点。因此，光电传感器在分析化学领域

占有重要地位，并将具有优越的分析性能，定量分析各种物质的测量。本文分析

了光电化学传感器的发展现状、检测原理及发展趋势。

1光电流产生的机理

光电流是由以下两种机制产生的:(1)当在溶液中存在还原剂时，物质从激

发态还原到基态，光照到材料表面，从基态到激发态，即PEC反应，以此类推，

产生连续的光电流;(2)在电子给体或受体分子的情况下，激发态分子与猝灭剂分

子之间发生电子转移反应，产生的分子氧化或还原态进一步从电极表面获得或失

去电子，产生电流，光活性材料返回基态，周期为连续光电流。

光电流分为阳极光电流和阴极光电流两种形式。以无机半导体纳米粒子为例，

在光条件下，当无机半导体纳米粒子吸收高于其自身带隙能量的能量时，纳米粒

子的子电子由价带跳跃到产生的电子空穴对的传导带而产生，然后受激发的电子

重新组合或转移。如果来自导带的电子转移到电极表面，当电子给体在溶液中被

价带中的空穴捕获时，电子给体产生绿色阳极光电流，另一方面，如果导带中的

电子转移到溶液中的电子受体，电子从电极转移到带孔上的价电子，阴极光电流

就产生了。

2PEC生物传感器的原理及分类

该PEC生物传感器主要基于电流/电压信号的变化通过电极来监测相应的生

物特征识别反应。在光条件下，激发光电活性物质的光电性能，并将被测物体与

连接在光电材料上的识别探头结合起来，改变光电活性物质本身产生的光电电压

或光电流，这种电阻效应在一定范围内，数值的变化与被测物质的浓度之间存在

函数关系，因此可以通过改变待测物质的光电压或光电流来检测目标。在传感器

中，基于特定靶标的光化学和生物传递，将活性材料修饰在传感器电极表面，用

于测试所构建的传感器电极的信号响应和待测物质的灵敏度，具有极其重要的影

响。根据光活性材料的类型不同，可粗略地分为以下几类:无机光活性材料、有

机光活性材料、复合型光活性材料等。其中常见的无机光活性材料包括TiO2，

ZnO，WO3，Cu2O，Bi2S3，BiOI，CdSe，ZnS，ZnSe，graphene等。

当光敏材料受到能量大于其能带间隙的光激发时，价带中的基态电子跃迁到导带，

形成电子空穴对。导带中的光生电子转移到电极表面，电解槽中价带中的空穴与

电子供体氧化，产生阳极电流，当电子从导带转移到电解质溶液或光敏材料的界

面时，将与电解质中的受体发生还原反应，从电极表面到光敏材料的价带的电子

转移随着光生空穴反应发生，产生阴极光电流。

3电流型光电化学传感器的应用

3.1化学物质的检测

电流型光电化学传感器是根据被测物与处于激发态的光电材料之间的电荷转

移而引起的光电流的变化或者根据被测物质本身的光电流的变化的原理而进行分

析测定的，且具有很好的选择性和高度的灵敏性，基于这一优势可以用来

测定化学物质。磷酸三苯酯(TPhP)作为有机磷阻燃剂(OPFＲs)的

典型模型，一直被视为健康问题的新兴环境污染物。通过采用静电纺丝技术合成

分子印迹纳米纤维，并将其与BiOI纳米片阵列相结合作为光活性电极，在可

见光的激发下能够快速、高灵敏度的检测磷酸三苯酯。在优化的实验条件下，

光电化学响应与TPhP浓度的对数值成线性比例，范围为0.01ngmL－1至

500ngmL-1。不仅仅是对于有机污染物有着良好的检测能力，对于环境中痕量

的无机物质也能够高灵敏检测

3.2生物分子的检测

由于某些半导体具有很强的氧化能力，所以PEC传感器的选择性并不是很

理想，通过结合生物分子识别元件如酶、核酸、抗原/抗体等

可以有效的改善这一不足之处。