半导体复合材料光电化学生物传感器的构建及对生物分子检测的研究

摘要

光电化学生物分析是基于光电化学过程和化学/生物识别过程建立起来的一种新的分析方法。在电化学（电子传递和界面反应）和光电转换（能量转换）两个过程的基础上，利用被分析物对生物识别过程的影响所产生的光电流的变化，建立起光电响应变化与被分析物之间的定量关系。该方法以光作为激发信号，以光电流作为检测信号，具有灵敏度高、响应快速、设备简单、易微型化等优点，在生物分析中有着广泛的潜在应用价值。
　　光电化学生物传感器在功能结构上分为光电转换单元和生物识别单元两部分，其中前者主要在于选择具有优良光电化学活性和稳定性的光电活性物种来构建光电转换层，后者主要在于通过不同的分析传感策略来实现对目标物的检测。光电化学生物分析通过与纳米材料的制备及复合、免疫分析体系的构建、生物功能分子的应用等方面的结合，进一步拓宽其应用范围。本文研究了基于WO3、CdS、Bi2S3等半导体及其复合材料构建的多级电荷分离体系的光电化学性能，并结合直接氧化还原、分子识别与结合、酶催化等方法，构建了不同类型的光电化学传感器，用于半胱氨酸、吲哚-3-乙酸(IAA)、J亚群禽白血病病毒(ALVs-J)等的光电化学分析。主要分为以下四部分:
　　(1)通过溶胶-凝胶法和改进的Hammers法分别制备了氧化钨和氧化石墨烯，然后以ITO导电玻璃电极为工作电极，经循环伏安法还原沉积石墨烯、氧化钨修饰、热处理和原卟啉修饰，构建了以石墨烯/氧化钨/原卟啉(RGO/WO3/PPIX)三元复合体系为光电活性材料的修饰电极。利用石墨烯优秀的电子传递性质和卟啉较高的光吸收、快速电子注入能力及其与氧化钨的能级匹配关系，实现电荷的有效分离和电子传递，使得光电化学响应增强。以0.1 mol/L pH7.0的磷酸缓冲溶液为电解质体系，在氙灯光源照射下(λ=380nm)，选择电位为+0.3 V，以直接氧化电解质溶液中的半胱氨酸为信号产生策略，实现了对半胱氨酸的快速灵敏检测。该方法对半胱氨酸检测的线性范围为0.1-100μmol/L，检测限可以达到25 nmol/L，并具有较高的灵敏度、较好的重现性和稳定性。
　　(2)通过溶剂热法在还原的氧化石墨烯(RGO)表面原位生长CdS纳米晶，并以巯基丙酸(MPA)为稳定剂和表面修饰剂对CdS纳米晶进行表面调控和修饰，制备了金字塔状CdS纳米晶负载RGO片层的MPA-CdS/RGO纳米复合材料。利用RGO的快速电子传输能力促进CdS纳米晶的电荷分离和电子传递，提高其光电化学性能。以MPA为桥联媒介，将IAA抗体修饰到MPA-CdS/RGO表面，结合抗体与IAA之间的免疫识别反应与基于分子识别产生位阻效应而导致的光电流抑制策略，实现对IAA的快速、灵敏、特异性定量分析。该方法对IAA分析在0.1-1000 ng/mL的浓度范围内有较好的线性关系，检测限为0.05 ng/mL，具有较好的选择性、较高的灵敏度和稳定性，并可用于实际样品的检测。
　　(3)通过混合溶剂热法无模板制备了形貌均匀、直径为20-50 nm、长度为100-150nm的Bi2S3纳米棒，所制备的纳米棒具有较好的光电化学性能。然后经Bi2S3纳米棒在ITO电极表面滴涂、以壳聚糖为媒介的一抗固定、ALVs-J与抗体的特异性结合和碱性磷酸脂酶(ALP)功能化纳米金标记的二抗的修饰等过程，制备出了一种新型光电化学免疫生物传感器，用于ALVs-J的快速灵敏检测。在优化条件下，固定在电极上的ALP可以催化溶液中的抗坏血酸磷酸酯，原位产生抗坏血酸(AA)作为电子供体。利用光电流随AA产生量的增多而增加，从而建立起了光电流变化与ALVs-J浓度的对数在一定范围内的定量关系。该生物传感器对ALVs-J检测的线性范围为102.14-103.65 TCID50/mL，检测限为102.08 TCID50/mL，从而实现对ALVs-J的快速、灵敏、高选择性检测。
　　(4)通过混合溶剂热法制备了不同W掺杂Bi2S3复合材料，并对其形貌、晶体结构、电子能态、光电化学性能等进行了研究。随初始W/Bi摩尔比增大，Bi2S3晶体结构没有明显改变，晶体尺寸沿轴向和径向逐渐增大，形貌由棒状逐渐变为中空管状。相应的光电流响应发生先增加后减小的变化;当初始W/Bi=1/2时，光电流有最大值。以最优W-Bi2S3修饰ITO电极，并在其表面电化学聚合聚3-噻吩硼酸(PTBA)，构建了PTBA/W-Bi2S3电极，利用W-Bi2S3和PTBA的能级匹配关系实现光电响应的增强。利用硼酸基与ALVs-J表面糖残基之间的结合，将ALVs-J、ALP功能化纳米金标记的巯基苯硼酸修饰到电极上，通过原位催化产生AA使光电流增加的方法，建立了对ALVs-J的光电化学检测。其检测的线性范围为102.08-104.02 TCID50/mL，检测限为101.94 TCID50/mL。该方法为糖类和糖蛋白等的分析提供新的思路。