納米生物傳感器

1、納米生物傳感器第1頁(yè)，共16頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二 目錄 半導(dǎo)體材料光催化性能簡(jiǎn)介金屬氧化物納米材料在生物傳感上的應(yīng)用總結(jié)與展望第2頁(yè)，共16頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二1.1半導(dǎo)體光催化背景 通過(guò)利用可再生能源和新型環(huán)境友好型功能材料來(lái)治理或修復(fù)生態(tài)環(huán)境和制備清潔能源，并在最大限度上提高新型環(huán)境友好型功能材料的使用效率是21世紀(jì)環(huán)境及能源領(lǐng)域的重要目標(biāo)之一。半導(dǎo)體光催化技術(shù)以其室溫深度反應(yīng)和可直接利用太陽(yáng)能作為能源來(lái)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)等獨(dú)特性能，在此領(lǐng)域中發(fā)揮出重要作用。 其一，光催化材料可將低能量密度的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為能量密度較高的化學(xué)能(光催化分解水制氫氣、還

2、原二氧化碳制備有機(jī)物)或電能(染料敏化太陽(yáng)能電池及光伏材料)，其二，半導(dǎo)體光催化材料可利用太陽(yáng)能降解氣相中或者液相中的有毒有害環(huán)境污染物。 1972年，日本科學(xué)家藤島(A. Fujishima)和本多(K. Honda)發(fā)現(xiàn)在紫外光照射下，TiO2電極能使水在常溫常壓下分解為氫氣和氧氣。以此為契機(jī)，開(kāi)始了多相催化研究的新紀(jì)元。目前，半導(dǎo)體光催化技術(shù)已在環(huán)境保護(hù)、光分解水制氫以及光催化滅菌等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。第3頁(yè)，共16頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二1.2 半導(dǎo)體光催化反應(yīng)原理 根據(jù)以能帶為基礎(chǔ)的電子理論，半導(dǎo)體的基本能帶結(jié)構(gòu)是：存在一些列的滿帶，在最上面的滿帶稱為價(jià)帶

3、（Valence band, VB）;存在一系列的空帶 ，在最下面的空帶稱為導(dǎo)帶（Conduction band, CB）.價(jià)帶和導(dǎo)帶之間稱為禁帶。當(dāng)用能量大于或等于禁帶寬度（Eg）的光輻射半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶上的電子可以被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶上面，同時(shí)在價(jià)帶上面產(chǎn)生相應(yīng)的空穴，于是便在半導(dǎo)體內(nèi)部生成了光生電子（e-）-光生空穴（h+）對(duì)。 第4頁(yè)，共16頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二半導(dǎo)體分類(lèi) 載流子：指可以自由移動(dòng)的帶有電荷的物質(zhì)微粒，半導(dǎo)體中有兩種載流子即電子和空穴。 半導(dǎo)體在一定溫度下，電子 - 空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合同時(shí)存在并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，有一定的載流子濃度，從而具有一定的電導(dǎo)

4、率，叫做本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)摻雜就形成雜質(zhì)半導(dǎo)體，可分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。在N型半導(dǎo)體中電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。 第5頁(yè)，共16頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二光催化機(jī)理 由于半導(dǎo)體能帶的不連續(xù)性，電子與空穴的壽命較長(zhǎng)，在電場(chǎng)的作用下，電子與空穴發(fā)生分離，并隨之遷移到半導(dǎo)體表面的不同位置。他們能夠在電場(chǎng)作用下或通過(guò)擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)，與吸附在半導(dǎo)體催化劑表面上的物質(zhì)發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，或者被表面晶格缺陷捕獲，也可能直接發(fā)生復(fù)合。 光生空穴能夠與吸附在半導(dǎo)體表面的H2O發(fā)生作用生成羥基自由基（OH）. OH是一種

5、活性更高的氧化物種，能夠氧化多種有機(jī)物并使之礦化。同時(shí)，光生電子也能夠與O2發(fā)生作用生成HO和O2-等活性氧類(lèi)，這些活性氧物種將直接參與到有機(jī)物的氧化還原反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中，從而誘發(fā)反應(yīng)物發(fā)生光催化氧化還原反應(yīng)。 半導(dǎo)體光催化反應(yīng)基本原理第6頁(yè)，共16頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二1.3 當(dāng)前存在的問(wèn)題與現(xiàn)有解決方法 研究最多的半導(dǎo)體光催化材料主要是金屬氧化物和硫化物，如TiO2，WO3，F(xiàn)e2O3，ZnO，CdS等 。以TiO2為代表的一系列半導(dǎo)體光催化劑禁帶寬度較大，僅對(duì)波長(zhǎng)小于400 nm的紫外光響應(yīng)，而此波段光在太陽(yáng)光總能量中所占比例僅不足5 %，這極大限制了這種材料的應(yīng)用范

6、圍。光響應(yīng)范圍比較窄，量子效率比較低。其光催化性能需要進(jìn)一步改善和增強(qiáng)，從而滿足廣泛的實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)利益的需求。 因此，提高多組分復(fù)合光催化劑的光催化效率與量子產(chǎn)率又是一大難題。設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)具有可見(jiàn)光響應(yīng)的光催化劑來(lái)提高太陽(yáng)能利用率，是最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。 第7頁(yè)，共16頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二光催化劑改性研究 貴金屬負(fù)載型光催化劑 復(fù)合型半導(dǎo)體光催化劑 離子摻雜型光催化劑 表面敏化 新型高效納米光催化劑的研制第8頁(yè)，共16頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二2.1 納米技術(shù)簡(jiǎn)介 廣義上的納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)

7、或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。 納米材料特殊結(jié)構(gòu)決定了其理化性質(zhì)既不同于微觀的分子和原子，也不同于宏觀的本體物質(zhì)，存在表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等四大突出效應(yīng)。在催化、光學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等方面表現(xiàn)出很多特性能，并且已經(jīng)在很多行業(yè)得到了很好的應(yīng)用。 若材料有i維處于納米尺度范圍，稱此材料為3-i 維納米材料。有零維、一維、二維和三維的納米材料。第9頁(yè)，共16頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二2.2 納米半導(dǎo)體金屬氧化物在生物傳感器上的應(yīng)用 光電化學(xué)生物傳感器是基于物質(zhì)的光電轉(zhuǎn)換特性確定待測(cè)物濃度的一類(lèi)檢測(cè)裝置。具有光電化學(xué)活性的物質(zhì)受光激發(fā)后發(fā)生電荷分

8、離或電荷傳遞過(guò)程, 從而形成光電壓或者光電流，待測(cè)物與光電化學(xué)活性物質(zhì)之間的物理、化學(xué)相互作用產(chǎn)生的光電流或光電壓的變化與待測(cè)物的濃度間的關(guān)系, 是傳感器定量檢測(cè)的基礎(chǔ)。 光電化學(xué)傳感通過(guò)光激發(fā)和電檢測(cè)的手段，實(shí)現(xiàn)激發(fā)源和檢測(cè)信號(hào)分離，而通過(guò)光信號(hào)與生物物質(zhì)的相互作用定量生物物質(zhì)濃度則可以有效提高靈敏度，實(shí)現(xiàn)痕量檢測(cè)。 目前，納米結(jié)構(gòu)光電極主要有：納米顆粒組成的光電極，此薄膜電極具有大的比表面積，便于生物固定化；核殼結(jié)構(gòu)構(gòu)建的光電極；一維納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建的光電極，一維納米結(jié)構(gòu)可以提供更快的電子傳輸，減少光生載流子的復(fù)合；三維納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建的光電極，三維納米結(jié)構(gòu)可以提供大的比表面積，更有效的光捕獲和載

9、流子傳輸，以及對(duì)生物活性物質(zhì)活性的保持。第10頁(yè)，共16頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二納米棒 例如，Liu 課題組制備的基于ZnO 納米棒的第三代安培型葡萄糖傳感器，固定于ZnO 納米棒的葡萄糖氧化酶表現(xiàn)出很高的催化活性，構(gòu)建的傳感器在一個(gè)很寬的線性范圍內(nèi)具有高靈敏度和良好的選擇性。 基于葡萄糖氧化酶修飾的 ZnO 納米棒陣列構(gòu)建的第三代安培型葡萄糖傳感器 第11頁(yè)，共16頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二納米線 Li 課題組以熱蒸發(fā)的方法制備了 Sb 摻的 SnO2納米線，然后修飾辣根過(guò)氧化物酶構(gòu)建過(guò)氧化氫生物傳感器。納米線表現(xiàn)出優(yōu)異的電子傳輸能力和對(duì)過(guò)氧化氫的高

10、的電活性，由其構(gòu)建的生物傳感器表現(xiàn)出高靈敏度、寬線性范圍和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。 Sb 摻 SnO2納米線 第12頁(yè)，共16頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二納米管 納米管可以認(rèn)為中空的納米線，因此，它除了具備納米線的優(yōu)異特性外，納米管狀結(jié)構(gòu)將具有更大的比表面積，更有利于生物分子的固定及其活性的保持。 Kong 課題組通過(guò)電沉積的方式在金電極上沉積 ZnO 納米線陣列，然后通過(guò)化學(xué)腐蝕的方法形成納米管陣列，然后以交聯(lián)的方式將葡萄糖氧化酶固定到納米管陣列，構(gòu)建葡萄糖生物傳感器。傳感器表現(xiàn)出對(duì)葡萄糖快速的響應(yīng)，與基于納米棒和平面結(jié)構(gòu)的生物傳感器相比，該傳感器顯現(xiàn)出更寬的線性范圍和更高的靈敏度。Z

11、nO 納米管陣列第13頁(yè)，共16頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二三維金屬氧化物電極 一維納米結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)重要的應(yīng)用就是作為基本的單元構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，將三維網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移至導(dǎo)電襯底上，便可以構(gòu)建三維多孔電極。 三維多孔電極，就是構(gòu)建電極的薄膜存在眾多的孔道，由此表現(xiàn)出了超大的比表面積和短的離子擴(kuò)散長(zhǎng)度。如圖 所示，Wang 課題組通過(guò)電化學(xué)沉積的方法在泡沫鎳上沉積三維多孔Co3O4薄膜，并應(yīng)用于鋰離子電池中，表現(xiàn)出比 Co3O4箔陽(yáng)極更優(yōu)越的充放電能力。三維多孔 Co3O4薄膜第14頁(yè)，共16頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二展望 通過(guò)半導(dǎo)體光敏材料有望將光學(xué)系統(tǒng)與各類(lèi)生物傳感器結(jié)合, 從而開(kāi)發(fā)出更多的光電化學(xué)型半導(dǎo)體生物傳感器,。今后, 對(duì)光電化學(xué)型半導(dǎo)體生物傳感器的研究可從以下幾個(gè)方面開(kāi)展:(1) 開(kāi)發(fā)新材料。功能材料是發(fā)展傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ), 隨著材料科學(xué)的發(fā)展, 人們可以通過(guò)控制材料成分來(lái)設(shè)計(jì)制造出適用于不同用途的傳感器敏感材料。(2) 采用新工藝。先進(jìn)的納米技術(shù)、化學(xué)/光