光电化学传感原理与应用

王 娟， 胡成国*， 胡胜水

(1.生物医学分析化学教育部重点实验室，武汉大学化学与分子科学学院，湖北武汉 430072；2.中国科学院传感技术国家重点实验室，北京100080)

1 引言

光电化学传感方法是基于电极/溶液界面的光诱导电子转移过程的光学-电化学分析方法。该方法基本原理[1]是：电极表面的光电转换材料被光信号激发，从基态跃迁到激发态，产生激发态电子-空穴对；当溶液中存在电子受体时，电子-空穴对中的激发态电子可以转移给电子受体，产生光还原电流；当溶液中存在电子给体时，电子-空穴对中的空穴可以从电子给体夺取电子，产生光氧化电流。除了外加光源和传感器表面的光电转换材料外，光电化学传感方法与电化学传感方法在仪器设备、测试方法和检测信号等方面基本相同。因此，光电化学传感方法具有电化学检测的高集成、低成本等特性。同时，光电化学传感方法的激发信号和响应信号不同，具有与电致化学发光方法类似的高信噪比和高灵敏度。

光电化学传感器多采用金属基光电界面，包括氧化铟锡(ITO)光透电极和金属基光电转换材料，如氧化物、配合物和量子点等[2]。金属基光电转换材料一般具有较大的禁带宽度和较强的光化学氧化性，一些电活性的待测物可采用光电化学方法直接检测(如H2O2)；一些非电活性待测物(如有机磷农药、葡萄糖)则通过酶催化/光催化反应等产生光电活性物质而实现检测。基于生物/离子等识别过程，光电化学方法也被应用于多种无机、有机及生物物质的高选择性、高灵敏度检测，这类检测方法的应用范围广、灵敏度高、选择性好，是光电化学传感领域的热点研究方向。目前，已有数篇综述介绍了光电化学传感的基本原理、敏感材料及其检测对象[2 - 7]。本文侧重于从传感原理的角度介绍光电化学传感器的应用研究进展。

2 光电化学传感的应用研究

2.1 基于待测物直接光电化学反应的传感方法

TiO2是使用最多的金属氧化物光电活性材料，但TiO2的禁带宽度较宽，需用紫外光激发，对生物分子的伤害较大。同时，TiO2的光生电子-空穴对复合几率大，光电转换效率低，但可采用其它材料与其复合或改进合成方法改善TiO2在可见光区的光电响应，比如：当高铁酸钴(CoFe2O4)与TiO2复合时[12]，TiO2在可见光区的光电流可以增大30倍。Zhang等[13]合成了加氢二氧化钛纳米粒子(H-TNRs)，由于形成了氧空位和中间能带，该H-TNRs材料的可见光吸收相对TiO2增强50%，可以作为一种通用型光电材料高灵敏地检测多种有机物。与纯二氧化钛纳米线(TiO2NWs)相比，Tang等[14]合成的二氧化铱-氯化血红素-二氧化钛纳米线(IrO2-Hemin-TiO2NWs)复合材料在可见光区的光电流增加了100%，可用于谷胱甘肽(GSH)的检测。

静电层层组装(LBL)技术可实现荷电纳米材料在电极表面的分层均匀固定，对于光电转换过程中的电荷分离与转移非常有利，因此被广泛应用于光电化学传感领域。TiO2溶胶中的纳米粒子[15]或TiO2-CdS复合材料[16]都可通过层层组装方法固定到电极上，待测水样中的还原性有机物可与电极表面的组装膜进行光诱导电子传递，从而构筑出化学耗氧量(COD)的光电化学传感器。Zhao等[17]合成了一种还原石墨烯-硫化镉(GR-CdS)纳米复合材料，并将其应用于电子给体GSH的光电化学检测。在这种复合材料中，GR作为优良的电子传递材料，可以实现激发态CdS上电子-空穴的有效电荷分离与转移。基于类似的原理，卟啉铁-二氧化钛(FeTPPS-TiO2)[18]和ZnO-Cu2O[19]复合材料也被应用于GSH的直接光电化学检测。在上述三种光电材料中，GR-CdS的检测电位最低，有利于消除样品中其它还原性共存物的干扰；ZnO-Cu2O的检测灵敏度最高，可能源于ZnO和Cu2O的p-n异质结构能级的匹配。同样，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)[20]、聚氢醌[21]、葡萄糖[22]和邻氨基苯酚(OAP)[23]等物质也可作为电子给体而实现其直接光电化学检测。同时，为了提高光生电子-空穴对的分离效率，各种导电/光电活性碳纳米材料也被应用于光电化学传感体系。比如：碳纳米管(CNTs)可以显著改善光电材料的转换效率[24]，富勒烯(C60)可以直接作为光电材料检测氧[25]，而Xu等[26]合成的类石墨烯氮化碳(GA-C3N4)则可作为光电材料检测Cu2+。

将分子印迹技术应用于光电化学传感器，不但可利用其印迹效果提高检测的选择性，还可利用组成印迹膜的有机/无机半导体材料的光电化学性质提高检测的灵敏度。Shi等[27]采用聚吡咯分子印迹膜作为高选择性的结合材料，制备了一种基于TiO2纳米管光电材料的2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)光电化学传感器。在这种传感器中，2,4-D可被直接光催化氧化使光电流增大，对含有大量干扰物的水样仍具有较高的选择性。采用分子印迹策略的光电传感方法也被用于微蘘藻素(MC-LR)[28]、林丹(Lindane)[29]、4-氨基苯酚[30]和全氟辛烷磺酸(PFOS)[31]等物质的高选择性光电化学检测。

2.2 基于酶促及光学/化学催化反应的间接光电化学传感方法

基于酶促反应产生或消耗电子给体/受体，某些非光电活性的待测物可采用光电化学方法实现间接检测。将CdTe[32]或CdSe/ZnS[33]量子点(QDs)作为光电传感材料，采用溶解氧作为电子受体，基于葡萄糖的酶促反应对溶解氧的消耗，可实现葡萄糖的间接光电化学检测。虽然CdTe和CdSe等量子点材料是窄带系半导体，在可见光区具有良好的光电活性，但是Cd2+的毒性是不可忽视的。针对这一问题，Zhang等[34]合成了对氧敏感的低毒性Ag2S QDs作为光电材料，实现了葡萄糖和癌细胞的间接光电化学检测。Zhao等[35]将碱性磷酸酯酶(ALP)固定在TiO2修饰电极上，利用ALP催化测试溶液中抗坏血酸磷酸酯(AAP)产生抗坏血酸(AA)，而AA上的烯二醇配位键可与纳米TiO2上的Ti原子结合，形成电荷转移复合物，使TiO2的可见光吸收增强。因此，该体系可用于检测对ALP活性有影响的物质，如2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-DA)。

有机磷农药也可采用基于酶促反应的间接光电化学传感方法进行检测。Gong等[36]通过离子层连续吸附与反应(SILAR)方法制备了碘氧化铋交叉纳米阵列(BiOINFs)。将BiOINFs与乙酰胆碱酯酶(AChE)结合，AChE可催化硫代乙酰胆碱(ATCl)生成电子给体硫代胆碱，改变BiOINFs的光生电子-空穴对的复合几率，而有机磷农药可抑制酶的活性，减小光电流，从而建立了一种有机磷农药的间接光电化学传感方法。基于类似的原理，PbO2-TiO2复合材料也被用于有机磷农药的光电检测[37]。基于酶促反应的间接光电化学传感方法也被应用于microRNA的检测。Wang等[38]采用硫化铋-纳米金复合材料(Bi2S3/AuNPs)作为光敏剂固定发夹型DNA探针，将发夹型DNA先后与待测microRNA和生物素标记的DNA杂交，然后与亲和素标记的纳米金(SA-AuNPs)反应，再利用标记了生物素的ALP与之发生亲和反应，从而将ALP引入到电极表面。在此基础上，利用ALP催化AAP产生电子给体AA，基于光电流的改变而实现microRNA的光电化学检测。Yin等[39]则将AA包覆在去铁铁蛋白的笼状结构内，采用类似的杂交过程将去铁铁蛋白笼固定到电极表面，在测试溶液中胰蛋白酶的催化水解下，AA可以从去铁铁蛋白笼中释放出来，产生放大的光电流信号，也可以实现microRNA的光电化学检测。

除了酶促反应外，基于光学或化学催化反应产生电活性物质的方法也被应用于多种物质的间接光电化学检测。Li等[40]将TiO2纳米管和丝网印刷电极结合，基于TiO2光催化氧化除线磷产生电活性物质，然后采用微分脉冲阳极溶出伏安法(DPASV)实现了除线磷的现场检测。Li等[41]则合成了一种新颖的有机-无机异质结构材料(苝四羧酸-二氧化钛复合材料，PTCA-TiO2)。这种材料能氧化对甲基硫磷(PM)在碱性条件下水解产生的对硝基酚，从而建立起PM的间接光电化学检测方法。Wang等[42]构建了基于CdS QDs的多巴胺光电化学传感器。在碱性溶液或电泳条件下，多巴胺可以在传感器表面形成聚多巴胺，其中的苯醌基团可作为CdS导带上电子的有效受体，使得转移到电极表面的电子减少，从而利用光电流的减小实现多巴胺的间接检测。

2.3 基于位阻效应的光电化学传感方法

在光电化学传感过程中，由于电子给体或受体与光电材料之间距离的增大而导致光电流信号减弱的现象，称为光电化学的位阻效应。该位阻效应可用于各种物质的标记或无标记光电化学传感。Lu等[43]采用末端含有鸟苷酸的发夹型捕获DNA修饰TiO2电极，构建了一种无标记的DNA光电化学传感器。当无目标DNA存在时，发夹型DNA末端的鸟苷酸作为电子给体靠近电极表面，光照下产生氧化光电流；当发夹型DNA与目标DNA发生杂交时，发夹结构解开，其末端的鸟苷酸远离电极表面使氧化光电流减小，从而实现目标DNA的高灵敏检测。Zhao等[44]将生物催化沉积(BCP)和光电化学传感结合，发展了一种高灵敏的H2O2光电化学传感器检测。他们将HRP固定在TiO2-CdS修饰的ITO电极表面，H2O2在HRP催化下氧化测试溶液中的4-氯-1-萘酚(4-CN)，产生的不溶性绝缘膜沉积在电极表面，产生的位阻效应导致光电流减小。基于Pb2+可取代G-四链体DNA酶中K+稳定剂的原理，Han等[45]建立了Pb2+的间接光电化学传感器。在氯化血红素(Hemin)的存在下，K+稳定的G-四链体DNA酶表现出类似过氧化物酶的催化性质，可催化H2O2氧化4-CN生成不溶物沉积在电极表面，产生位阻效应；当Pb2+取代K+后，DNA酶活性被破坏，位阻效应减小，光电流增大。

抗原/抗体或核酸适体等非电活性生物分子沉积到电极表面上时，也会阻碍光电材料与电子受体或电子给体间的电子转移。比如：采用碘氧化铋-纳米金(BiOI-AuNPs)复合光电材料检测DNA甲基转移酶时[46]，DNA甲基转移酶对电极表面的双链DNA进行甲基化，甲基化位点可以与甲基化结合蛋白(MBD)结合，由于MBD的位阻效应，光电流减小。基于抗原-抗体反应产生的类似位阻效应，CdS QDs[47]和TiO2-AuNPs复合材料[48]被分别用于鼠抗人IgG和多环芳香烃(PAH)的光电化学检测。

多分支拖曳线列阵声纳系统在正常工作时，一般处于运动稳定状态或是准稳定状态，这是由于当系统运动状态变化过于剧烈时，会严重影响声纳系统工作的有效性和准确性。判断多分枝线拖曳列阵系统是否处于稳态运动的指标一般有以下两个：

金属基半导体材料虽然光电转化效率高，但其导电性差，在修饰膜较厚时光电流信号反而较小。碳基材料与半导体材料的复合可解决这些缺点，形成具有优良光电性能的复合光电材料。将GR-CdSe纳米复合材料修饰到电极表面，在其上固定核酸适体，再与凝血酶结合形成核酸适体复合物，利用复合物的形成对光诱导电子转移的阻碍，可实现凝血酶的无标记光电化学传感[49]。基于类似的原理，GR-CdS纳米复合材料也被应用于人宫颈癌细胞的光电化学检测[50]。在光电化学传感体系中，一般采用二元金属复合材料来增强光电响应(如CdSe[51]等)，而三元金属复合材料对于转换体系中电子的注入和空穴的恢复比二元材料更加有利，因此可以获得更大的光电流。Kang等[52]通过将五氯苯酚抗体固定在CdSexTe1-x/TiO2材料表面，牛血清白蛋白(BSA)封闭后，五氯苯酚在修饰电极表面的结合导致位阻效应增加，光电流减小，从而实现了五氯苯酚的高灵敏、高选择性光电化学检测。基于类似的原理，Cai等[53]合成了具有分段能带边结构的CdTe/CdS-TiO2复合材料，并将其应用于八氯苯乙烯的光电化学检测。

金属氧化物或量子点半导体材料一般具有较好的光电转换效率，但也可能存在激发能量高、光稳定性相对较差等问题，通过表面功能化修饰或制备相应的复合材料，可显著减小这些半导体材料中电子-空穴对的复合几率、增强光电流信号和稳定性，其表面修饰方法有：(1)连接到联吡啶衍生物上[54]；(2)将导带上的电子通过纳米复合材料转移到其它纳米粒子上，如CdS/TiO2[55]；(3)表面修饰功能高分子材料。比如将树状大分子聚酰胺-胺(PAMAM)修饰到CdS上，PAMAM表面的氨基可以作为空穴受体，减小CdS材料上电子-空穴复合的几率、增强光电流[56]。PAMAM可与伴刀豆球蛋白A(ConA)通过戊二醛结合，基于人体肝癌细胞(SMMC-7721)与电极表面ConA结合产生的位阻效应，可以定量检测SMMC-7721。Bas等[57]设计了一种基于多电极阵列的光电化学传感器，可以同时高灵敏地检测多种兽药残留。他们将聚烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)、AuNPs和CdS通过层层自组装修饰到金电极表面，然后将克伦特罗、莱克多巴胺和氯霉素的抗体分别共价键合到三个修饰好的工作电极表面，通过抗原-抗体免疫识别产生的位阻效应对CdS光电信号的影响，可同时检测三种抗原。此外，采用分子印迹技术时，聚合物膜上的结合位点与待测分子结合后可能会产生位阻效应，阻碍溶液中电子给体与光电材料之间电子转移，该原理被应用于五氯苯酚(PCP)[58]和氰代菊酯[59]等物质的光电化学检测。

2.4 基于染料敏化效应的光电化学传感方法

将有机/无机染料吸附到半导体材料的表面，利用染料对可见光的强吸收，将宽带隙半导体体系的光谱响应延伸到可见区，这种现象称为半导体的染料敏化效应。对于金属氧化物半导体光电化学传感体系而言，染料敏化现象不但能显著拓展光电化学传感器在可见光区的光电转换性能，其与高选择性生物识别过程的耦合，还可发展出一系列高信噪比、高灵敏的光电化学生物传感器。基于联吡啶钌的染料敏化效应，Zhang等[60]构建了一种无标记的DNA光电化学传感器。当无目标DNA链存在时，固定在捕获DNA发夹结构末端的联吡啶钌靠近SnO2修饰电极表面，在可见光区产生较大的染料敏化光电流；当捕获DNA与目标DNA发生杂交后其发夹结构打开，使捕获DNA末端的联吡啶钌远离电极表面，染料敏化现象消失、光电流减弱，从而实现目标DNA的高灵敏光电化学检测。Zhang等[61]还利用单链及双链DNA与钌配合物(Ru(bpy)2dppz2+)结合能力的差异，将核酸适体与三磷酸腺苷(ATP)之间的选择性识别引入DNA传感体系中，建立了SnO2修饰ITO电极上ATP的染料敏化光电化学传感器，可实现3.2 nmol/L ATP的高灵敏检测。Dong等[62]将亲和素(SA)固定在涂有蛋白质的ITO电极上，然后用未标记的BSA封闭，再与联吡啶钌-BSA-生物素复合物(Ru-BSA-BT)反应。基于此，待测BSA越多，连接到电极表面的联吡啶钌就越多，光电流越大，从而实现BSA的定量检测。Haddour等[63]采用生物素化的联吡啶钌作为光电材料，建立了抗霍乱毒素抗体的光电化学传感器。生物素化的联吡啶钌探针首先通过电沉积方法固定到电极表面，然后通过亲和反应固定亲和素标记的霍乱毒素亚基，与霍乱毒素抗体发生免疫反应，所形成的免疫反应复合物蛋白质层增加了电子受体Co(Ⅲ)与光电材料之间的距离，从而抑制了电极表面固定化联吡啶钌与溶液中Co(Ⅲ)之间的光诱导电子转移过程，导致光电流减小。

染料敏化光电化学传感器也可用于DNA的损伤检测。Liang等[64]发现光生Ru(Ⅲ)复合物可氧化DNA上的胍和腺苷基而产生光电流，DNA与苯乙烯或者是Fe2+/H2O2反应(芬顿反应)后，引起DNA损伤暴露更多的DNA碱基，被光生Ru(Ⅲ)复合物氧化后导致光电流上升，从而检测DNA损伤。Liu等[65]也建立了DNA损伤的光电化学检测方法。其原理是：在四氟苯喹啉(TFBQ)或TFBQ/H2O2试剂的作用下，固定在电极上双链DNA分子发生损伤，导致插入双链DNA分子中的光敏分子减少，光电流也随之减小。采用类似的传感原理，Zhang等[66]研究了甲酰嘧啶-DNA糖基酶(Fpg)对DNA损伤的修复。其研究表明，Fpg可以修复所有的独立损伤部位，但由芬顿反应引起的串联损伤则只能修复50%，避免了对DNA损伤的低估。染料敏化原理还可用于Pb2+的检测[67]，即Pb2+可激活能切割DNA链的DNA酶，这种切割作用使嵌入DNA链中的联吡啶钌分子减少，导致染料敏化光电流减小。

除了联吡啶钌外，卟啉和某些有机染料也可以用于染料敏化型光电化学传感器。比如，甲基紫精-硫化镉(MV-CdS)[68]、卟啉-氧化锌(TCPP-ZnO)[69]和原卟啉-氧化钨-还原石墨烯(PPIX-WO3-rGO)[70]等染料敏化半导体材料修饰的ITO电极，可实现半胱氨酸的光电化学检测。

2.5 基于酶联免疫反应的光电化学传感方法

将光电化学传感原理与酶联免疫分析相结合，能极大地提高检测的灵敏度。Zhao等[71]将ALP和纳米金修饰到前列腺特异性抗原(PSA)的检测抗体上，通过夹心免疫将ALP引入电极表面，利用ALP催化测试溶液中AAP产生电子给体AA，基于光电流与PSA浓度之间的定量关系实现PSA的高灵敏光电化学检测。同理，An等[72]设计金掺杂的二氧化钛纳米管(Au-TiO2NTs)阵列作为光电材料，利用二抗上标记GOx的酶促反应产生H2O2作为电子给体，实现了突触核蛋白的光电化学免疫传感。Li等[73]将TiO2修饰在基底电极表面固定甲胎蛋白(AFP)抗体，将CdTe QDs与葡萄糖氧化酶(GOx)同时标记在待检测AFP上(AFP-CdTe-GOx)，建立了一种双重信号放大的AFP高灵敏光电化学传感器。Zhao等[74]利用光电化学传感与酶联免疫分析的协同作用，建立了一种小鼠免疫球蛋白(IgG)的高灵敏检测方法。在该传感器中，多个因素的协同作用使此传感器灵敏度显著增强：(1)Ab1-Ag-Ab2-HRP夹心式的免疫复合物与单独的Ab1-Ag相比加入了Ab2-HRP，位阻增大，阻碍了电子给体向光电材料的传递，增加了电子空穴的复合的几率，所以光电流减小；(2)通过HRP催化检测溶液中的H2O2氧化4-CN生成不溶物沉积在电极表面形成绝缘层，阻碍了电极界面的电荷传递，减小了光电流；(3)HRP在380～420 nm区间内有较强的光吸收，产生非产物性竞争光吸收，减小了光电流。

2.6 基于能量转移机制的光电化学传感方法

光电化学传感器一般需要外加光源激发光电转换材料，采用化学发光代替物理光源可简化仪器装置，且化学发光材料激发出的不同波长光源能避免使用单色器。Zhang等[75]首次报道了化学发光代替物理光源在光电化学传感中的应用。他们将CIPO-H2O2-9,10-二苯基蒽体系作为发光源，通过激发嵌入DNA链中的联吡啶钌光电活性材料产生光电流，利用DNA杂交前后联吡啶钌固定量的差异，实现了DNA的光电化学检测。基于类似的原理，鲁米诺[76]和异鲁米诺[77]等都也可作为化学发光材料应用于光电化学传感。

某些纳米粒子可以与光电材料发生能量转移机制，如等离子体共振、局部表面等离子体共振等，从而影响光电材料的光电响应。Zhao等[78]将CdS QDs和AgNPs的激子等离子体共振(EPI)应用于光电化学DNA传感系统。当电极表面固定化CdS QDs上修饰的DNA单链与标记AgNPs的DNA单链杂交时，AgNPs靠近CdS QDs，因为CdS QDs和AgNPs的吸收峰重叠，光照下CdS QDs的激发和AgNPs的共振可以同时发生，即发生EPI作用，导致CdS QDs上电子-空穴的复合几率增大，光电流降低。相反，在H2O2存在下，AuNPs可在TiO2表面形成金纳米晶簇，紧密的金纳米簇可以产生较强的局部表面等离子体共振(LSPR)[79]。LSPR可促进AuNPs表面的电荷分离，导致TiO2表面共振光电流的增强，由此可检测产生H2O2的生物催化反应，如葡萄糖的测定。

某些常见的无机离子可与光电材料发生交换反应或者改变光电材料的结构，从而通过光电流的变化实现其检测。Shen等[80]采用ZnO/CdS异质结构作为光电材料定量检测Cu2+。在该体系中，Cu2+能与CdS相互作用形成Cu2S，且光照下Cu2+能还原为Cu+；因为CuxS的溶解度低于CdS，CuxS会覆盖在CdS表面，使其能级降低、促进了电子-空穴的复合，最终导致光电流的减小。Liang等[81]将待测Cd2+原位电沉积在TiO2纳米管表面形成CdSe/TiO2复合材料，利用光电流的增大检测Cd2+。基于类似的原理，Hg2+[82]和S2-[83]也可采用光电化学方法检测。

3 光电化学传感方法的发展趋势及应用前景

光电化学传感方法在高灵敏生化分析中具有独特的优势和广阔的应用前景，已引起不同领域学者的广泛关注，是当前生命分析学科的热点研究方向。然而，光电化学传感方法目前还处于起步阶段，进一步的发展面临诸多挑战，其今后的发展趋势及应用前景可能表现在以下几个方面：

(1)新型高性能光电转换材料的制备与应用。光电转换材料是发展光电化学传感的基础，随着材料科学的发展，各种新型光电材料不断涌现，可为光电化学传感的进一步发展提供新的契机。比如，金属基光电材料一般氧化能力较强，对生物传感界面的构筑不利，我们利用富勒烯和碳纳米管作为光电材料和生物分子的固定载体，制备出一种全碳型光电化学生物探针[84]，可显著提高光电化学传感体系的稳定性和使用寿命。

(2)新型光电化学传感原理的建立与应用。目前，光电化学传感原理已利用了电化学传感体系建立的多种检测模式，包括直接氧化/还原、酶联免疫、位阻效应等；借鉴太阳能电池工作原理或光学分析原理，光电化学传感方法建立了自驱动、染料敏化和能量转移等传感原理。然而，光电化学传感方法还有一些潜在的传感原理有待发展，比如可在单通道电化学测试体系中利用光信号的高空间分辨发展寻址高通量光电化学传感体系；可利用激发光信号的波长调制特性，利用不同激发光源发展波长调制高通量检测等。

(3)新型光电化学测试仪器的使用与集成。当前光电化学传感研究一般采用商品化电化学测试体系和较大型的氙灯光源，虽然检测性能优良，但存在仪器设备成本高、难以便携化等不足。将光电化学传感的可自驱动特性与低成本电流测试设备(如血糖仪、电流计及低功耗LED灯等)及单色光源(如半导体单色激光器)结合，有望发展出类似商品化血糖仪的自驱动、高集成、便携式光电化学传感体系。