光電化學傳感器的構建應用技術

劉　壯，蘭德瑞

光電化學傳感器的構建應用技術

劉壯1，蘭德瑞2

（1.沈陽理工大學理學院，遼寧沈陽 110159；2.沈陽理工大學經濟管理學院，遼寧沈陽 110159）

光電化學分析是一種在光照射條件下，電極、光電材料和被分析物之間電荷轉移發展的重要檢測技術，其基于光電轉換和電化學兩個過程，結合被分析物產生的光電壓或者光電流變化，構建被分析物和光電響應變化之間的定量關系，構建出光電化學傳感器，用于環境、生物等方面的分析研究。簡要介紹了光電化學傳感器，分析了光電化學傳感器的構建應用技術。

光電化學傳感器；構建應用技術

近年來，光電化學快速發展，隨著電解質溶液體系和新型半導體電極在光照條件下的光電轉換規律和電化學行為越來越深入，再加上當前分析、環境、能源等學科領域的發展需求，光電化學的某些研究成果已經被應用在光電化學分析、光電化學分解水、光電化學太陽能電池等領域，光電化學傳感器的發展前景非常廣闊，在未來發展過程中應加大對光電化學傳感器構建應用技術的分析和研究，推動光電化學傳感器的持續發展。

1　光電化學傳感器

光電化學傳感器主要包括電流型和電位型。當前，光電位傳感器應用非常廣泛，電流型光電化學傳感器主要是利用激發態光電材料和被測物質之間電子傳遞從而導致光電流發生變化實現測定，或者結合待測物質材料的光電流，實現定量分析。光電化學傳感器結合了光電化學和傳統電化學傳感器的優點，并且也具有光化學和電化學傳感器的應用優勢，一方面，光電化學傳感器利用電化學檢測方式，不僅易于微型化，而且設備價廉、簡單；另一方面，光電化學分析用于檢測電信號，利用光作為激發信號，并且應用不同形式能量作為檢測信號、激發信號，確保檢測信號和激發信號的獨立性，不會發生相互干擾，因此背景信號比較低，光電化學傳感器的靈敏度較高。光電化學傳感器應用優勢明顯，在光電化學分析中發展前景廣闊，并且光電化學分析和生物功能分子應用、免疫分析體系建立、納米材料加工等有效結合起來，使其應用范圍進一步得到擴展。當前，光電化學傳感器在環境分析、細胞分析、免疫分析、酶傳感分析、DNA分析、生物活性分析等領域發展前景廣闊。

2　光電化學傳感器的構建應用技術

2.1材料選擇和設計

2.1.1有機光電分子

有機光電分子是指在光照條件激發下電子從最低空軌道和最高占據軌道實現電荷轉移和產生激發態的有機分子，這種分子包括有機金屬配合物類、蒽醌類、偶氮染料、酞菁類、卟啉類等，有機金屬配合物類是一種重要的有機光電分子，其由相關金屬離子和電子體系配體構成。通常情況下，有機光電分子的離域電子體系較大，可快速吸收可見光，并且其電子轉移和電子注入能力較強，并且結合實際需求有機光電分子可進行基團修飾或者直接合成，其可修飾性較好。光電化學傳感器加工制作時，如果單獨使用這種有機金屬配合物作為光電轉化層，在實際應用中，其光電流產生量較弱，往往需要復合其它傳導材料，從而提高檢測靈敏度和光電流信號。例如將金納米粒子焊鍍在石墨烯表面，對石墨烯/Au NPs納米復合物進行修飾，在氫醌光電化學檢測過程中使用電極修飾材料，其應用效果非常顯著。

2.1.2導電高分子及其復合物

導電高分子是經過電化學或者化學摻雜將包含共軛π鍵高分子轉化為半導體或者導體，這種導電高分子材料的π電子共軛反鍵和成鍵能帶之間往往具有較小的能隙，其和無機半導體的價帶和導帶能隙比較接近，所以大多數共軛高分子材料在實際應用中都具有半導體性能。當前，聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯等研究比較成熟，無機半導體構建和復合過程中利用導電高分子，利用其特異性可識別分子印跡膜，并且導電高分子的加工制作比較簡單，可有效識別基團修飾和可控聚合，可設計性較強，其研究潛力非常大。

2.2信號產生和傳感模式

2.2.1電荷氧化還原和轉移

光電化學傳感器設計時，主要采用陽極光電流，考慮到傳感模式，空穴或者電子的氧化還原反應和電荷轉移對于光電極反應有著直接影響，一般情況下不包括酶催化、分子識別等過程，通過電荷的有效分離可促進信號產生。光電活性物質在光激發條件下發生電子躍遷，產生空穴—電子對，待檢測物質分子和光電層空穴發生氧化還原反應，電子逐漸轉移到電極表面。通常被檢測物具有還原性，以一定濃度作為電子供體添加在電解質溶液中，光電層中的空穴—電子對受到被檢測物分子影響實現有效分離，實現光電流快速增加。隨著待測物濃度增大，光電流逐漸增強，利用被檢測物分子和光電流的數量關系，定量分析待測物。

2.2.2光電流抑制

光電化學傳感器根據光電層空間位阻效應，結合分子識別，產生陽極光電流，電子供體在電解質溶解中捕獲電子—空穴對，實現光電極反應。光電化學池在進行光電檢測時，通常氧化電位較低且沒有毒性的抗壞血酸溶于電解質溶液中。若分子復合物嵌入電解質溶液層和光電層之間，電子供體向光電層的空穴捕獲和電子遷移受到阻礙，造成光電流降低，結合位阻效應和降低光電流的定量關系，科學分析目標物。

3　結束語

近年來，光電化學分析快速發展，而光電化學傳感器的應用發展還存在一些問題，通過仔細分析和研究光電化學分

析理論，加強技術和設備創新，進一步拓展高穩定性和高活性材料，由于大部分光電化學分析檢測設備都是自制組裝，檢測靈敏度不足，光信號較弱，在未來發展過程中應研發高穩定性、靈敏、方便的光電化學分析儀器，不斷提高光電化學傳感器構建應用技術水平。

［1］ 孫兵，艾仕云.光電化學傳感器的構建及應用［J］.化學進展，2014，（5）：834-845.

Construction Applications photoelectrochemical sensor

Liu Zhuang，Lan De-rui

The analysis is a photoelectrochemical under light irradiation conditions，electrodes，photovoltaic materials and charge transfer between the analyte was an important development in testing technology，which is based on the photoelectric conversion two electrochemical processes and，combined with the light generated by the analyte voltage or current changes in the light，to build quantitative relationship between the analyte and the photovoltaic response between changes，construct photoelectrochemical sensors，analysis of environmental，biological and other aspects for.Introduces the photoelectrochemical sensors，analysis of the application of technology to build photoelectrochemical sensor.

Optical chemical sensor；Construction Applications

O657.1；TP212.2

A

1003-6490（2016）06-0060-02

2016-05-22

劉壯（1994—），男，天津人，本科在讀，主要研究方向為光電信息科學。

收稿日期：2016-06-06

作者簡介： 李嘉良（1994—），男，河北灤南人，本科在讀，主要研究方向為車輛工程。