论文总字数：31771字

摘 要

光电化学（Photoelectrochemistry）由于其灵敏度高、设备简单、易于微型化等优势，在生物分析领域展现了独特的优越性和广阔的应用前景。在光电化学检测中，由于光电化学过程的激发信号和检测信号分属于不同的能量形式，其传感信号的背景将明显优于传统的电化学方法。因此，新型高效光电生物传感体系的构建，最大化地发挥光电化学传感体系的优异性，是生物分析科学领域一项非常有意义的工作。而且，随着新型功能化材料和新检测方法的不断发展，光电化学传感器在可视化、小型化、集成化、器件化等方面展现出了极大的优势。因此，发展能够快速现场检测疾病标志物等生物分子的微型化电子设备变得极为重要。

通过研究二氧化硅包覆的银纳米颗粒（Ag@SiO₂）的SPR效应及硅层厚度对金纳米簇（Au NCs）的光电性能的影响，可制备Au NCs/Ag@SiO₂纳米复合材料，获得一种光电转换效率高，生物相容性好，无毒性的纳米复合材料，可以用以构建新型高灵敏、高稳定的PEC生物识别传感体系，用于疾病标志物的快速、高效诊断；同时促进Au NCs在光电化学分析领域的研究，推动金属纳米材料在光伏领域的应用研究。另外，基于Ag@SiO₂的SPR效应，自供电及可视化比色策略，为便携式光电器件的开发提供了新的途径。

关键词：光电化学，传感器，二氧化硅包覆的银纳米颗粒，金纳米簇

ABSTRACT

Photoelectrochemistry possess advantages of high sensitivity, simple equipment, and easy miniaturization, has shown unique advantages and broad application prospects in the field of biological analysis. It has become the hot research direction of the current life analysis discipline. Since the excitation signal and detection signal of the photoelectrochemical process belong to different energy forms, the background of the sensing signal will be obviously superior to the traditional electrochemical method. Therefore, the construction of new and efficient photoelectrochemical biosensor system maximizes the superiority of photoelectrochemical sensor system, which is a very meaningful work in the field of biological analysis science. Moreover, with the continuous development of new functionalized materials and new detection methods, photoelectrochemical sensors have shown great advantages in visualization, miniaturization, integration, and devices, etc.. Thus, it has become extremely important to develop miniaturized electronic devices capable of rapidly detecting biological molecules such as disease markers.

It can prepare Au NCs/Ag@SiO₂ nanocomposite material by investigate that effect of the SPR effect of Ag@SiO₂ and the thickness of silicon layer on the optoelectronic property of Au NCs, and obtain a nano-composite material with high photoelectric conversion efficiency, good biocompatibility and no toxicity, and can be used to construct a novel highly sensitive and high-stable PEC biological recognition sensing system for fast and efficient diagnosis of disease marker. At the same time, Au NCs is in the field of photochemical analysis, pushing the application of metallic nano-materials in photovoltaic fields. In addition, based on the SPR effect of the Ag@SiO₂, the power and visualization of the color strategy, it provides a new way for the development of portable photovoltaic devices.

KEY WORDS: Photoelectrochemistry, Sensor, Ag@SiO₂, Au NCs

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 光电化学传感 1

1.1.1 原理 1

1.1.2分类 2

1.1.3 发展前景 8

1.2 金纳米簇和Ag@SiO₂金属纳米结构 9

1.2.1金纳米簇 9

1.2.2Ag@SiO₂金属纳米结构 10

1.2.3 Ag@SiO₂制备方法 11

1.2.4 Au NCs的制备方法 11

1.3 研究思路及内容 11

1.3.1 选题思路 11

1.3.2关键点及难点 12

1.3.3 研究方案 13

第二章 实验部分 14

实验一 Ag@SiO₂核壳纳米粒子与Au NCs的制备与表征 14

2.1 实验药品及仪器 14

2.1.1 实验过程主要使用的药品以及试剂 14

2.1.2 主要仪器及设备 14

2.2 实验过程 14

2.2.1 实验准备阶段 14

2.2.2 实验阶段 15

2.3 实验结果与讨论 15

实验二 Ag@SiO₂核壳纳米粒子对金簇的光电增强效应的研究 18

2.4 实验药品及仪器 18

2.4.1 实验过程主要使用的药品以及试剂 18

2.4.2 主要仪器及设备 18

2.5 实验具体进程 18

2.5.1 实验准备阶段 18

2.5.2 具体实验 18

2.6 实验图形处理与结果讨论 19

2.6.1 不同激发光波长下Au NCs与Au NCs/Ag@SiO₂的电流-波长对比 19

2.6.2不同包硅厚度的银核与Au NCs的复合材料的电流-时间对比 20

致谢 21

参考文献 22

第一章 文献综述

1.1 光电化学传感

光电化学（PEC）生物传感是目前的研究热点，由于其低成本和理想的灵敏度，引起了化学家和生物学家的广泛关注。PEC生物传感主要是指识别元素与被分析物相互作用对光电流信号的影响，涉及光照射时电子供体/受体与光敏材料之间PEC反应的电荷和能量的转移。了解PEC基本原理有助于开发下一代PEC传感器。然而，PEC传感器检测机制的研究还处于初级阶段，需要进一步开发。根据PEC传感策略的新概念，将最近的示例分为三种：反应物决定因素，电子转移和能量转移。从电化学方法发展而来的光电化学是研究光对光电极或界面材料的影响以及将太阳能转化为电能的有力学科^[1]。基本光电化学（PEC）工艺是指溶液中电化学活性物质在光照过程中，电极/电解质界面发生的与光激发材料之间的氧化或还原反应^[2]，已被广泛应用于光催化，光伏和太阳能电池。近年来，PEC生物传感方法也已经通过PEC技术与生物分析相结合开发，其中光用作激发源并且电流用作信号读出。与光学技术不同^[3]，电子检测的实施使得PEC仪器简单，便宜并且易于小型化。此外，激发源（光）和检测信号（电）的完全分离使得该方法具有低背景信号和期望的灵敏度的优点^[4]。特别是，与传统的电化学或光学方法相比，PEC生物传感器具有更优异的性能，能够识别复杂样品中的目标物。然而，普通的光敏物质具有低的光转换效率且易被光漂白。此外，所提出的信号机制仍不清楚，并且在实际应用中面临很多障碍^[5]。因此，综合比较和重组复杂的PEC策略对于系统地理解PEC的内在原理并利用新的信号机制是必要的。

1.1.1 原理

随着纳米技术和材料科学的发展，一系列新的PEC方法被提出并促进了进一步的研究工作^[6]。由于PEC的反应与电极上的电子供体/受体和光催化材料之间的电荷转移密切相关^[7]，通过各种途径可以有效地控制检测信号。最常见的方法是通过酶的反应生成/消耗活性物质，以及在活性物质表面产生不溶性物质。通常，利用葡萄糖氧化酶(GOD)对葡萄糖的酶反应，可以抑制量子点(QDs)的光电流，并消耗电子供体OZ^[8]。另外，光活性或氧化还原类的引入/释放是PEC检测的另一种简单方法。例如，通过可卡因及其适体的相互作用，可将CdS QDs固定在电极表面上，以增强光电流^[9]。有趣是，借助于新出现的技术，例如颗粒间的能量转移和化学发光，也可以研究一些专门的PEC生物传感器。在信号传递策略方面，可以通过对反应过程的控制来对PEC生物分析进行分类，并考虑各种因素对PEC反应过程的影响。因此，我们可以将它们组织成三个主要的类别:反应物的决定因素，电子转移和能量转移的传感方式(图1-1)。显然，反应信号的变化完全依赖于识别方式和PEC反应之间的相互作用。

图1-1 基于生物功能化纳米结构的光电化学传感策略的原理和应用示意图。

1.1.2分类

（1）反应物决定性PEC策略

作为PEC反应物的光活性物质和电子给体/受体已经成为PEC反应正常操作的关键部分。 通过利用生物识别方式来影响光激发材料在溶液中的氧化还原反应，可以提出最常见的信号传导策略并进行深入研究以探测各种感兴趣的目标。因此，本节提供了有关反应物决定性PEC策略的现有进展的广泛范例。

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