基于金属化合物半导体纳米材料的原位生长/控制释放光电化学传感策略的设计与应用研究

Photoelectrochemical (PEC) sensing, a dynamically developed analytical method based on the PEC conversion properties of the materials, is a research hotspot in the field of analytical chemistry. PEC activity materials and sensing mode are the two key parameters that determine the sensitivity and selectivity of sensor. In this topic, we are committed to preparing metal-compound semiconductor nanomaterials with superior PEC performance, and used for designing novel PEC sensing strategy. To solve the key problem that parts of semiconductors cannot be stimulate effectively under visible light and low potential, multi-band structure was employed through the compositing and hybrid of heterogeneous semiconductors, which could improve the photogenerated electron/hole separation and charge transfer significantly; To avoid the introducing of external signal enhancer, the sensing strategy of in-situ growth and controlling release were designed to achieve the directly collection of signal change on electrode surface. By studying the PEC signal generation and sensing mechanism, to develop novel and feasible PEC sensing methods and strategies and further used for preparing PEC sensors, has important guiding significance on the theoretical research and practical application.

光电化学传感分析是基于物质的光电转换性能确定待测物浓度的一类分析方法，是分析化学领域的研究热点。光电材料和传感模式是决定传感器灵敏度和选择性的关键。本课题致力于制备光电转换性能优越的金属化合物半导体纳米材料，并用于设计光电化学传感新策略。通过半导体的复合与杂化制得多级能带结构，提高光生电子/空穴分离与电荷传递效率，解决半导体材料在可见光及低电位下无法被有效激发的关键难题；设计原位生长与控制释放传感策略，利用电极表面发生的反应实现传感信号的变化收集，从而有效解决需外加引入电子/空穴捕获剂以增强光电信号的问题。本课题通过研究光电信号转换与传感响应机理，旨在发展以金属化合物半导体纳米材料为核心的光电化学传感新方法与新策略，并将其应用于新型光电化学传感器的研制，对光电传感机理的研究与实际应用具有重要的指导意义。

结合水热法、原位生长法、原位还原法、电化学沉积法等制备了一系列金属硫化物材料及金属含氧化合物半导体纳米材料，通过优化配比，探讨材料组成成分、反应条件、材料结构与光电性能之间的关系，改善了这一系列材料的光电化学性能，实现了在可见光区、低电位作用下高效光电转换性能。采用原位生长法制作的金属化合物半导体纳米材料用于建立光电传感平台的过程，利用其较高的光电转化能力和良好的生物相容性，实现光电信号的多级放大，从而制备了一系列灵敏、特异性的免疫传感器，实现对疾病标志物和环境污染物的检测。根据实验的需要，依据金属化合物半导体纳米材料的物理性质、化学性质，将金属化合物半导体纳米材料直接修饰至电极或与其他材料复合后修饰至电极，构建不同类型的传感器。借助固体紫外吸收光谱、电化学、光电化学等方法，分析探讨了金属化合物半导体纳米材料的应用机理以及传感器响应机理。设计控制释放策略，调节外部刺激条件以控制物质释放，建立灵敏的测试体系，考察用于封装孔道的“孔帽”分子的数量和耐外部刺激能力、内部封装物质数量等对测试体系的影响，实现高灵敏检测。.截至项目结题，在Analytical Chemistry、ACS Applied materials and Interfaces、Carbon、Journal of Materials Chemistry B、Biosensors and Bioelectronics、Sensors and Actuators B: Chemical等知名学术期刊上发表发表SCI论文42篇，授权国家专利14项。该研究成果对于材料光电性能的优化以及对于疾病标志物的检测具有重大意义。