半导体光电化学型生物传感器近几年有哪些研究成果

项目代码B0502

项目名称基于光电化学催化的自驱动型生物传感器新原理、新方法研究

负责人严乙铭

所在单位北京理工大学

批准金额60 万元

所属类别面上项目

关键词生物传感器生物燃料电池二氧化钛葡萄糖金属氧化物

中文摘要生物传感器的研究在临床诊断、社会安全、和环境监测中具有重要的意义。随着分析化学和生命科学的快速发展，以及低碳、环保经济理念的深入，对发展设计节能、绿色的新型生物传感器提出了新挑战。本项目拟针对目前采用生物催化剂的生物传感器，所存在的普遍依赖外部电能输入，以及灵敏性和选择性不高等关键问题，结合光电化学最新研究进展，提出并建立自驱动型生物传感器的新原理和新方法。拟开展的研究内容包括：构筑半导体光催化剂和光敏剂的修饰电极；设计电极界面和电极结构，研究生物分子的光电化学催化氧化过程和电子转移机理；建立以光电化学信号为传感的生物分子测定方法；设计并制备用于高灵敏，高选择性的自驱动型生物传感器的电极。我们预期，本项目的开展，不但可以促进电化学生物传感器领域的发展，也为分析化学和其他相关学科提供有力的研究方法和手段。

英文摘要

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其原理是，在催化剂存在时，吸收太阳光辐射使水分解为氢气和氧气。

植物的光合作用是在叶绿素上进行的。1968年，科学家发现了“叶绿素脂双层膜”的光电效应，从而证明了光合作用过程的半导体电化学机理。受此启发，将二氧化钛(TiO2)晶体电极和铂黑(Pt)电极浸在水中，组成光电化学电池。当太阳光辐射半导体材料二氧化钛表面时，因光电效应产生的电流将水分解，释放出氢气。这一方法是由日本科学家本多等人于1972年发现的。但二氧化钛只能吸收太阳光中紫外和近紫外部分，所以能量转换率还不到1%。近年来，研制成功用钛酸锡晶体及氧化钨晶体作阳极，效率分别达到20%和40%。由此可见，选择高效型的电极材料是提高转换率的关键。

半导体光电极 在将光能转换为化学能的光电化学电池中，用半导体材料作光电极，起光吸收和光催化作用。n型半导体构成光阳极,只催化氧化反应p型半导体构成光阴极，只催化还原反应。但半导体表面一般不具有良好的反应活性，电极反应往往需较高的过电位。经过适当的表面处理(如热处理、化学刻蚀和机械研磨等)来改变电极的表面状态（如价态分布、晶格缺陷、晶粒粒度、比表面和表面态分布等），可以大大改善其催化活性。

表面修饰的半导体光电极 单纯半导体光电极一般催化活性不高，采用表面修饰方法（如沉积法、强吸附法、共价法和聚合成膜法等）将具有某些功能的物质(金属、半导体、化学基团和聚合物)附着于电极表面,使它成为表面修饰电极，就能改善和扩大电极功能。当具有催化活性的物质以高分散的岛状分布修饰在半导体电极表面并形成透光的肖特基接触时，就可能改变反应势垒，提高反应速率。例如，在半导体二氧化钛光阳极表面修饰上铂或钯，可大大提高乙醇水溶液光电催化氧化同时放氢的速率。

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