染料功能化半导体纳米材料的光电化学生物传感

Dye functionalized semiconductor nanomaterial was recognized as a best material in solar cells owing to its best photovoltaic conversion efficiency. In this fund project, semiconductor nanomaterial matching with the energy level of the excited state of dye will be synthesized by via nanotechnology. The order nanoassembly of dyes on nanomaterials can prepare dyes functionalized semiconductor nanomaterials which have good photoelectrochemistry properties. A photoelectrochemical biosensing platform will be developed for detection of small biological molecules under visible and near infrared irradiation at physiological potential based on these materials. The producing and transferring process of photoinduced electron will be discussed in detail. The photoelectrochemical catalytic mechanism of small biological molecules will be illustrated. Meanwhile, combining with the principle of immunoassay and the technology of biological recognition and signal amplification, a high sensitive photoelectrochemical immunosensor will be constructed to realize the detection of large biological molecules (protein). Dye functionalized semiconductor nanomaterials labeled gene probe or target was designed, developing a sensitive photoelectrochemical gene sensor. These researches will promote the development of photoelectrochemical analysis, provide a technical support for developing high efficiency photovoltaic devices, have been important significance for understanding the processes of life, and also have promising prospect for application.

染料功能化半导体纳米材料由于具有高的光电转化效率，被认为是目前太阳能电池领域性能最好的材料。本项目利用纳米技术合成与染料的激发态能级相匹配的半导体纳米材料。通过自组装技术把染料有序的组装到半导体纳米材料表面制备具有良好光电化学性能的染料功能化半导体纳米材料，基于此功能化材料构建高灵敏的光电化学生物传感平台，实现在可见光或者近红外光激发下，在生理电位对生物小分子的光电化学检测；深入研究和探讨光生电子产生和转移过程，澄清染料功能化半导体纳米材料对生物小分子的光电催化机理。结合免疫分析原理、生物识别技术和信号放大技术，构建高灵敏的光电化学免疫传感器，实现对生物大分子（蛋白质）的光电化学检测。设计具有染料功能化半导体纳米材料标记的基因探针或者目标分子，构建高灵敏的光电化学基因传感器。研究工作推动了光电分析的发展，为发展高效光电器件提供技术支持，对于认识生命过程具有重要意义，具有良好的应用前景。

本项目构建了多种高灵敏的光电化学和电化学生物传感器，结合生物识别技术、信号放大技术、基因技术、酶催化和能量共振转移，实现了在可见光激发下和低位下对人类常见疾病相关的生物大分子（蛋白质）、基因、细胞和金属离子的快速、准确和特异性检测。光电化学和电化学检测的机理进行了详细的探讨。制备了具有良好光电转换效率的镉系量子点、碳纳米材料及其半导体纳米复合物。基于碲化镉量子点和还原型氧化石墨烯-金纳米粒子纳米复合物之间的共振能量转移构建的光电化学适配体传感器，在470 nm光激发和-0.05 V电位下，实现了对血清样品中癌胚抗原的高灵敏检测，检测限抵达0.47 pg/mL。DNA-硫化镉量子点结合到单壁碳纳米管上形成纳米复合物后展现出了高的光电化学转换效率和稳定性，基于此纳米复合物，结合酶催化循环来放大检测信号，构建了高灵敏的microRNA光电化学传感器，其检测限低达34 fM。基于碳量子点-金纳米粒子复合物设计了无标记超灵敏的光电化学细胞传感平台，碳量子点和金纳米粒子之间发生的共振能量转移使得光电流提高66倍，极大地提高光电化学检测的灵敏度。该光电化学生物传感器对海拉细胞展现出宽的检测范围（1*10^2-5*10^6 cell/mL）和低的检测限（15 cell/mL），为癌症的早期诊断提供了一种新方法。基于苝四羧酸/石墨烯良好的光电化学活性，构建了新颖的原位生成纳米金等离子体增强的光电化学适配体传感器，用于汞离子的高选择性检测（浓度高达200倍的其它金属离子不产生干扰）。利用层层自组装技术原位产生AgBr来敏化ZnO 一维纳米棒，基于此构建了光电化学适配体传感器，实现了对Ag+的高灵敏检测（检测限为150 pM）。以双齿配位的DTC-DNA作为探针，基于石墨烯量子点和核酸内切酶的特异性位点剪切，发展了一种新颖的检测与丙型肝炎病毒相关的DNA的高灵敏电致化学发光生物传感器，检测限为0.45 fM。使用Pd-Au合金纳米晶作为载体固定探针DNA，运用限制性内切酶特异性识别双链DNA特定序列，以血红素/G四联体作为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化酶和辣根过氧化物酶的模拟酶，构建了高灵敏的多功能电化学传感器来检测p53及口腔癌基因。本项目的研究拓宽了半导体纳米材料的应用领域，对光电分析化学的发展起到积极的推动作用，并促进了相关交叉学科领域的发展。