基于氧化还原蛋白质/酶与半导体纳米材料的光电化学传感及其作用机制

氧化还原蛋白质/酶的生物传感不仅将为生物物质的测定提供强有力的手段，而且对于弄清生命过程中氧化还原蛋白质/酶的电子传递机理、生命物质的代谢过程具有重要的推动作用。近20年，基于氧化还原蛋白质/酶的直接电子传递的电化学生物传感器的研究一直是分析化学的重要研究内容。半导体纳米材料特殊而优异的光电性质为光电化学传感器的研究带来了新的契机。目前，基于半导体纳米材料与氧化还原蛋白质/酶的光电化学传感器研究中存在电子传递效率低、所能研究的氧化还原蛋白质/酶的种类少、电子传递机理不清楚等问题，因此本项目提出：通过半导体纳米材料能级、表面修饰剂以及生物分子固定方法的调控，构建高效的光电化学生物传感器，阐明光电化学体系中氧化还原蛋白质/酶的电子传递的规律和作用机制。本课题的开展不仅将为灵敏、高效的光电化学生物传感器的开发和应用奠定基础，也将为揭示生物体系中氧化还原蛋白质/酶的电子传递机理提供有价值的信息。

半导体纳米材料具有和常规材料不同的特殊而优异的光电化学性质，为光电化学传感器的研究带来了新的契机。. 目前建立的光电化学传感器几乎都是利用半导体纳米材料的光生空穴与溶液中还原性物质（作为电子供体）发生的氧化作用而建立的。而生物体系中存在较多的还原性物质，如何提高光电化学生物传感器的选择性是需要亟待解决的问题。我们尝试建立了多种不是依赖于电子供体与光生空穴反应的新型光电化学传感器。发现在n-型CdS/ZnS表面原位形成p-型HgS材料能够大大提高CdS/ZnS修饰电极的光电流，首次将p-n结原理应用于光电化学传感器；发现对苯醌可以作为CdS量子点光生电子的有效电子受体，开拓了基于光生电子与电子受体相互作用的多巴胺生物传感器；制备了self-operating的三维CdS/NiO光电阴极，以葡萄糖氧化酶（GOD）为生物催化剂，实现了葡萄糖的检测。此法最大的优势在于克服了现有方法的光电流受到溶液中一系列还原性物质（如AA、DA、巯基化合物、H2O2等）的影响而选择性较差的弊端。将贵金属纳米材料所具备的模拟酶性质取代传统的天然酶，引入光电化学测定以实现信号的有效放大作用，以制备免疫、DNA传感器。除此之外，还发现量子点材料具有优异的荧光性质。通过表面修饰以及表面状态、分散状态的调控成功建立了一系列基于量子点的新型荧光传感器。在探索具有模拟酶特性的贵金属纳米材料的过程中，发现亲和试剂（含有硫、氮、卤素等原子的物质）对其催化特性有抑制作用，并能导致贵金属纳米材料等离子共振吸收效应的明显改变。基于亲和试剂与贵金属纳米粒子的相互作用，发展了一系列基于新原理（催化还原、氧化聚集、促进/抑制聚集）的纳米比色传感器。. 该项目共发表标注SCI论文15篇（其中SCI论文14篇，CSCD（核心）论文1篇），另有已录用等待正式出版论文2篇，获授权发明专利1项。培养研究5人。本课题资助下取得的成果另有正在投稿审理的英文文章4篇，预计在2014-2015年将陆续发表，届时将及时向基金委报送。