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摘 要

光电化学分析基于特定材料的光电化学活性与化学或生物识别过程而建立起来的生化分析方法。该方法将激发信号（光）与检测信号（光电流）分离开来，因而具有低背景信号、灵敏度高、价格低廉和易微型化等优点，因此在生物和环境检测分析领域有着广阔的发展前景。

这个实验，论证了富勒烯在可见光源下发展超敏光电化学生物探针的应用前景。为了达到这个目的，将345C₂₀C₆₀、多官能团化的氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）的混合物在玛瑙研钵内室温下机械性地研磨来产生一种可分散于水的GO-345C₂₀C₆₀纳米杂合物，它在可见光范围内拥有着PEC活性、高转换效率和良好的稳定性。在纳米杂合物GO-345C₂₀C₆₀共价标记上检测抗体以制造全碳不含酶的光电化学生物探针。以一个简易的免疫吸附策略为基础，使用GO电沉积过的铟-锡氧化物（ITO）基底电极（GO/ITO），该生物探针通过一种氙气灯的照射可选择性地检测10μL溶液样本中约0.1pg（1 picogram=10^-12g）的甲胎蛋白（Alpha Fetoprotein，AFP）分子。

关键词：光电化学生物传感器，富勒烯衍生物，碳纳米复合材料

Graphene Oxide/Fullerenes-Based Carbon Nanomaterials as Bioprobes for Photoelectrochemical Immunoassay

41112101 Jing Cui supervisor：Yanfei Shen

ABSTRACT

Photoelectrochemical sensor is a developing analytical method，based on the photoelectrochemical process and chemical or biological probing recognition． Because of the separation of the excitation source ( light) and electrochemical detection signal ( photocurrent) ，the photoelectrochemical sensor possesses various traits，such as higher sensitivity with low background signals，cost-efficient，and inherent miniaturization, which has a promising application prospect in bioassay as well as environmental detection.

Here, we demonstrate the promising applications of fullerenes in developing ultrasensitive PEC bioprobes using visible light sources. To achieve this goal, a mixture of 345C₂₀C₆₀ and multifunctional graphene oxide（GO） is mechanically ground in an agate mortar at room temperature to produce a novel water-dispersible GO-345C₂₀C₆₀ nanohybrid, which possesses PEC activity in visible light ranges with high conversion efficiency and good stability. Covalent labeling of detection antibodies by the GO-345C₂₀C₆₀ nanohybrid creates an all-carbon and enzyme-free PEC bioprobe. Based on a simple immuno adsorption strategy using multifunctional graphene oxide-modified indium−tin oxide(ITO) substrate (GO/ITO) , this bioprobe can selectively detect about 0.1pg (where1 picogram=10^-12g) of alpha fetoprotein (AFP) molecules in a 10.0 μL sample solution using Xenon lights.

Key words：Photoelectrochemical sensor ；Fullerene derivatives；Carbon nano composite materials

目录

摘要 1

ABSTRACT 2

第一章 绪论 4

1.1 光电化学分析原理简介 4

1.2 光电化学传感器 5

1.2.1 光寻址电位型传感器 5

1.2.2 电流型光电化学传感器 6

1.3 纳米复合材料光电传感器 7

1.4 氧化石墨烯材料及其传感器件 8

1.5 富勒烯光电性能简介 9

1.6 总结与展望 11

第二章 材料与方法 12

2.1 实验材料 12

2.1.1 模式抗原抗体 12

2.1.2 实验试剂 12

2.1.3 实验仪器及设备 12

2.2 实验方法 13

2.2.1 材料制备 13

2.2.2 电极的预处理及组装 14

2.2.3 定性实验 监测电极组装 15

2.2.4 定量实验 构建捕获抗体修饰的ITO电极检测抗原 15

2.2.5 性能分析实验 15

第三章 结果与讨论 17

3.1 预实验 17

3.2 以富勒烯为基础的纳米复合物的特征 17

3.2.1 碳纳米材料的水分散性分析 17

3.2.2 碳纳米材料的紫外可见光光谱分析 18

3.2.3 碳纳米材料的微观结构 19

3.3 以富勒烯为基础的纳米复合物的光电化学表现 20

3.4 构建基于富勒烯的光电化学免疫传感器 22

3.4.1 构建PEC传感器过程中的伏安和阻抗应答 22

3.4.1 构建PEC传感器过程中的光电流应答 23

3.5 分析性能 24

3.5.1 基于富勒烯的光电化学免疫传感器在一定范围内的线性检测性能 24

3.5.2 选择性、稳定性、重现性及回收实验 25

第四章 小结 27

参考文献 28

致谢 31

1. 绪论

光电化学分析是一种凭借有光电转换特性的物质为基础，进行分子间化学或者生物识别，从而达到检测目的的新型分析方法。光电化学分析法具有许多特性，比如：灵敏度高、响应快速、设备简单便携、易于微型化等等。目前，在生物分析领域光电化学传感器有着广阔的关注和前景，基于光电的检测手段已在DNA、免疫、生物小分子和细胞检测等方面有着出色的应用，并展现出了良好的前景。

本文结合实验介绍了光电化学分析的原理、分类以及现有的应用和存在问题，讨论了氧化石墨烯在体系中的应用及富勒烯的光电化学性质等方面。

1.1 光电化学分析原理简介

光电化学（Photoelectrochemical，PEC）传感器近几年广受关注，是一种在电极/溶液界面基于光诱导电子转移（photoinduced electron transfer，PET）进程的传感技术。简单地说，原理为在光照作用下光电活性物质进行电荷转移过程^[1,2]。具体来说，半导体光电材料通过一束光的照射，若这束光所带能量大于等于半导体带隙，那么电子将受激发，由价带跃迁到导带，于是空穴在价带上留下来，产生光生自由载流子对即电子空穴对，从而电子与空穴得到了有效分离，这便是光电转化的过程^[3]。电子与空穴分离过后，就产生了光电压，在外部电路形成光电流。通过待测物与光电活性物质之间有着直接或间接的相互作用, 或者生物识别过程前后所产生的光电流或光电压的变化与待测物浓度之间的关系，是PEC定量分析的基础。除了使用的激发光源和光伏材料外，就物理仪器、探测原理和探测信号来说，PEC传感器类似于传统电化学传感器，但由于输入输出信号的不同，相应地PEC传感器通常拥有更好地灵敏性。

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