王 娟， 胡成國(guó)*， 胡勝水

(1.生物醫(yī)學(xué)分析化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430072；2.中國(guó)科學(xué)院傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100080)

1 引言

光電化學(xué)傳感方法是基于電極/溶液界面的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程的光學(xué)-電化學(xué)分析方法。該方法基本原理[1]是：電極表面的光電轉(zhuǎn)換材料被光信號(hào)激發(fā)，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)電子-空穴對(duì)；當(dāng)溶液中存在電子受體時(shí)，電子-空穴對(duì)中的激發(fā)態(tài)電子可以轉(zhuǎn)移給電子受體，產(chǎn)生光還原電流；當(dāng)溶液中存在電子給體時(shí)，電子-空穴對(duì)中的空穴可以從電子給體奪取電子，產(chǎn)生光氧化電流。除了外加光源和傳感器表面的光電轉(zhuǎn)換材料外，光電化學(xué)傳感方法與電化學(xué)傳感方法在儀器設(shè)備、測(cè)試方法和檢測(cè)信號(hào)等方面基本相同。因此，光電化學(xué)傳感方法具有電化學(xué)檢測(cè)的高集成、低成本等特性。同時(shí)，光電化學(xué)傳感方法的激發(fā)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)不同，具有與電致化學(xué)發(fā)光方法類似的高信噪比和高靈敏度。

光電化學(xué)傳感器多采用金屬基光電界面，包括氧化銦錫(ITO)光透電極和金屬基光電轉(zhuǎn)換材料，如氧化物、配合物和量子點(diǎn)等[2]。金屬基光電轉(zhuǎn)換材料一般具有較大的禁帶寬度和較強(qiáng)的光化學(xué)氧化性，一些電活性的待測(cè)物可采用光電化學(xué)方法直接檢測(cè)(如H2O2)；一些非電活性待測(cè)物(如有機(jī)磷農(nóng)藥、葡萄糖)則通過(guò)酶催化/光催化反應(yīng)等產(chǎn)生光電活性物質(zhì)而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)?；谏?離子等識(shí)別過(guò)程，光電化學(xué)方法也被應(yīng)用于多種無(wú)機(jī)、有機(jī)及生物物質(zhì)的高選擇性、高靈敏度檢測(cè)，這類檢測(cè)方法的應(yīng)用范圍廣、靈敏度高、選擇性好，是光電化學(xué)傳感領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向。目前，已有數(shù)篇綜述介紹了光電化學(xué)傳感的基本原理、敏感材料及其檢測(cè)對(duì)象[2 - 7]。本文側(cè)重于從傳感原理的角度介紹光電化學(xué)傳感器的應(yīng)用研究進(jìn)展。

2 光電化學(xué)傳感的應(yīng)用研究

2.1 基于待測(cè)物直接光電化學(xué)反應(yīng)的傳感方法

TiO2是使用最多的金屬氧化物光電活性材料，但TiO2的禁帶寬度較寬，需用紫外光激發(fā)，對(duì)生物分子的傷害較大。同時(shí)，TiO2的光生電子-空穴對(duì)復(fù)合幾率大，光電轉(zhuǎn)換效率低，但可采用其它材料與其復(fù)合或改進(jìn)合成方法改善TiO2在可見光區(qū)的光電響應(yīng)，比如：當(dāng)高鐵酸鈷(CoFe2O4)與TiO2復(fù)合時(shí)[12]，TiO2在可見光區(qū)的光電流可以增大30倍。Zhang等[13]合成了加氫二氧化鈦納米粒子(H-TNRs)，由于形成了氧空位和中間能帶，該H-TNRs材料的可見光吸收相對(duì)TiO2增強(qiáng)50%，可以作為一種通用型光電材料高靈敏地檢測(cè)多種有機(jī)物。與純二氧化鈦納米線(TiO2NWs)相比，Tang等[14]合成的二氧化銥-氯化血紅素-二氧化鈦納米線(IrO2-Hemin-TiO2NWs)復(fù)合材料在可見光區(qū)的光電流增加了100%，可用于谷胱甘肽(GSH)的檢測(cè)。

靜電層層組裝(LBL)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)荷電納米材料在電極表面的分層均勻固定，對(duì)于光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中的電荷分離與轉(zhuǎn)移非常有利，因此被廣泛應(yīng)用于光電化學(xué)傳感領(lǐng)域。TiO2溶膠中的納米粒子[15]或TiO2-CdS復(fù)合材料[16]都可通過(guò)層層組裝方法固定到電極上，待測(cè)水樣中的還原性有機(jī)物可與電極表面的組裝膜進(jìn)行光誘導(dǎo)電子傳遞，從而構(gòu)筑出化學(xué)耗氧量(COD)的光電化學(xué)傳感器。Zhao等[17]合成了一種還原石墨烯-硫化鎘(GR-CdS)納米復(fù)合材料，并將其應(yīng)用于電子給體GSH的光電化學(xué)檢測(cè)。在這種復(fù)合材料中，GR作為優(yōu)良的電子傳遞材料，可以實(shí)現(xiàn)激發(fā)態(tài)CdS上電子-空穴的有效電荷分離與轉(zhuǎn)移。基于類似的原理，卟啉鐵-二氧化鈦(FeTPPS-TiO2)[18]和ZnO-Cu2O[19]復(fù)合材料也被應(yīng)用于GSH的直接光電化學(xué)檢測(cè)。在上述三種光電材料中，GR-CdS的檢測(cè)電位最低，有利于消除樣品中其它還原性共存物的干擾；ZnO-Cu2O的檢測(cè)靈敏度最高，可能源于ZnO和Cu2O的p-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)能級(jí)的匹配。同樣，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)[20]、聚氫醌[21]、葡萄糖[22]和鄰氨基苯酚(OAP)[23]等物質(zhì)也可作為電子給體而實(shí)現(xiàn)其直接光電化學(xué)檢測(cè)。同時(shí)，為了提高光生電子-空穴對(duì)的分離效率，各種導(dǎo)電/光電活性碳納米材料也被應(yīng)用于光電化學(xué)傳感體系。比如：碳納米管(CNTs)可以顯著改善光電材料的轉(zhuǎn)換效率[24]，富勒烯(C60)可以直接作為光電材料檢測(cè)氧[25]，而Xu等[26]合成的類石墨烯氮化碳(GA-C3N4)則可作為光電材料檢測(cè)Cu2+。

將分子印跡技術(shù)應(yīng)用于光電化學(xué)傳感器，不但可利用其印跡效果提高檢測(cè)的選擇性，還可利用組成印跡膜的有機(jī)/無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的光電化學(xué)性質(zhì)提高檢測(cè)的靈敏度。Shi等[27]采用聚吡咯分子印跡膜作為高選擇性的結(jié)合材料，制備了一種基于TiO2納米管光電材料的2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)光電化學(xué)傳感器。在這種傳感器中，2,4-D可被直接光催化氧化使光電流增大，對(duì)含有大量干擾物的水樣仍具有較高的選擇性。采用分子印跡策略的光電傳感方法也被用于微蘘藻素(MC-LR)[28]、林丹(Lindane)[29]、4-氨基苯酚[30]和全氟辛烷磺酸(PFOS)[31]等物質(zhì)的高選擇性光電化學(xué)檢測(cè)。

2.2 基于酶促及光學(xué)/化學(xué)催化反應(yīng)的間接光電化學(xué)傳感方法

基于酶促反應(yīng)產(chǎn)生或消耗電子給體/受體，某些非光電活性的待測(cè)物可采用光電化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)間接檢測(cè)。將CdTe[32]或CdSe/ZnS[33]量子點(diǎn)(QDs)作為光電傳感材料，采用溶解氧作為電子受體，基于葡萄糖的酶促反應(yīng)對(duì)溶解氧的消耗，可實(shí)現(xiàn)葡萄糖的間接光電化學(xué)檢測(cè)。雖然CdTe和CdSe等量子點(diǎn)材料是窄帶系半導(dǎo)體，在可見光區(qū)具有良好的光電活性，但是Cd2+的毒性是不可忽視的。針對(duì)這一問(wèn)題，Zhang等[34]合成了對(duì)氧敏感的低毒性Ag2S QDs作為光電材料，實(shí)現(xiàn)了葡萄糖和癌細(xì)胞的間接光電化學(xué)檢測(cè)。Zhao等[35]將堿性磷酸酯酶(ALP)固定在TiO2修飾電極上，利用ALP催化測(cè)試溶液中抗壞血酸磷酸酯(AAP)產(chǎn)生抗壞血酸(AA)，而AA上的烯二醇配位鍵可與納米TiO2上的Ti原子結(jié)合，形成電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物，使TiO2的可見光吸收增強(qiáng)。因此，該體系可用于檢測(cè)對(duì)ALP活性有影響的物質(zhì)，如2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-DA)。

有機(jī)磷農(nóng)藥也可采用基于酶促反應(yīng)的間接光電化學(xué)傳感方法進(jìn)行檢測(cè)。Gong等[36]通過(guò)離子層連續(xù)吸附與反應(yīng)(SILAR)方法制備了碘氧化鉍交叉納米陣列(BiOINFs)。將BiOINFs與乙酰膽堿酯酶(AChE)結(jié)合，AChE可催化硫代乙酰膽堿(ATCl)生成電子給體硫代膽堿，改變BiOINFs的光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合幾率，而有機(jī)磷農(nóng)藥可抑制酶的活性，減小光電流，從而建立了一種有機(jī)磷農(nóng)藥的間接光電化學(xué)傳感方法?；陬愃频脑?，PbO2-TiO2復(fù)合材料也被用于有機(jī)磷農(nóng)藥的光電檢測(cè)[37]?；诿复俜磻?yīng)的間接光電化學(xué)傳感方法也被應(yīng)用于microRNA的檢測(cè)。Wang等[38]采用硫化鉍-納米金復(fù)合材料(Bi2S3/AuNPs)作為光敏劑固定發(fā)夾型DNA探針，將發(fā)夾型DNA先后與待測(cè)microRNA和生物素標(biāo)記的DNA雜交，然后與親和素標(biāo)記的納米金(SA-AuNPs)反應(yīng)，再利用標(biāo)記了生物素的ALP與之發(fā)生親和反應(yīng)，從而將ALP引入到電極表面。在此基礎(chǔ)上，利用ALP催化AAP產(chǎn)生電子給體AA，基于光電流的改變而實(shí)現(xiàn)microRNA的光電化學(xué)檢測(cè)。Yin等[39]則將AA包覆在去鐵鐵蛋白的籠狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，采用類似的雜交過(guò)程將去鐵鐵蛋白籠固定到電極表面，在測(cè)試溶液中胰蛋白酶的催化水解下，AA可以從去鐵鐵蛋白籠中釋放出來(lái)，產(chǎn)生放大的光電流信號(hào)，也可以實(shí)現(xiàn)microRNA的光電化學(xué)檢測(cè)。

除了酶促反應(yīng)外，基于光學(xué)或化學(xué)催化反應(yīng)產(chǎn)生電活性物質(zhì)的方法也被應(yīng)用于多種物質(zhì)的間接光電化學(xué)檢測(cè)。Li等[40]將TiO2納米管和絲網(wǎng)印刷電極結(jié)合，基于TiO2光催化氧化除線磷產(chǎn)生電活性物質(zhì)，然后采用微分脈沖陽(yáng)極溶出伏安法(DPASV)實(shí)現(xiàn)了除線磷的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。Li等[41]則合成了一種新穎的有機(jī)-無(wú)機(jī)異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料(苝四羧酸-二氧化鈦復(fù)合材料，PTCA-TiO2)。這種材料能氧化對(duì)甲基硫磷(PM)在堿性條件下水解產(chǎn)生的對(duì)硝基酚，從而建立起PM的間接光電化學(xué)檢測(cè)方法。Wang等[42]構(gòu)建了基于CdS QDs的多巴胺光電化學(xué)傳感器。在堿性溶液或電泳條件下，多巴胺可以在傳感器表面形成聚多巴胺，其中的苯醌基團(tuán)可作為CdS導(dǎo)帶上電子的有效受體，使得轉(zhuǎn)移到電極表面的電子減少，從而利用光電流的減小實(shí)現(xiàn)多巴胺的間接檢測(cè)。

2.3 基于位阻效應(yīng)的光電化學(xué)傳感方法

在光電化學(xué)傳感過(guò)程中，由于電子給體或受體與光電材料之間距離的增大而導(dǎo)致光電流信號(hào)減弱的現(xiàn)象，稱為光電化學(xué)的位阻效應(yīng)。該位阻效應(yīng)可用于各種物質(zhì)的標(biāo)記或無(wú)標(biāo)記光電化學(xué)傳感。Lu等[43]采用末端含有鳥苷酸的發(fā)夾型捕獲DNA修飾TiO2電極，構(gòu)建了一種無(wú)標(biāo)記的DNA光電化學(xué)傳感器。當(dāng)無(wú)目標(biāo)DNA存在時(shí)，發(fā)夾型DNA末端的鳥苷酸作為電子給體靠近電極表面，光照下產(chǎn)生氧化光電流；當(dāng)發(fā)夾型DNA與目標(biāo)DNA發(fā)生雜交時(shí)，發(fā)夾結(jié)構(gòu)解開，其末端的鳥苷酸遠(yuǎn)離電極表面使氧化光電流減小，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)DNA的高靈敏檢測(cè)。Zhao等[44]將生物催化沉積(BCP)和光電化學(xué)傳感結(jié)合，發(fā)展了一種高靈敏的H2O2光電化學(xué)傳感器檢測(cè)。他們將HRP固定在TiO2-CdS修飾的ITO電極表面，H2O2在HRP催化下氧化測(cè)試溶液中的4-氯-1-萘酚(4-CN)，產(chǎn)生的不溶性絕緣膜沉積在電極表面，產(chǎn)生的位阻效應(yīng)導(dǎo)致光電流減小?；赑b2+可取代G-四鏈體DNA酶中K+穩(wěn)定劑的原理，Han等[45]建立了Pb2+的間接光電化學(xué)傳感器。在氯化血紅素(Hemin)的存在下，K+穩(wěn)定的G-四鏈體DNA酶表現(xiàn)出類似過(guò)氧化物酶的催化性質(zhì)，可催化H2O2氧化4-CN生成不溶物沉積在電極表面，產(chǎn)生位阻效應(yīng)；當(dāng)Pb2+取代K+后，DNA酶活性被破壞，位阻效應(yīng)減小，光電流增大。

抗原/抗體或核酸適體等非電活性生物分子沉積到電極表面上時(shí)，也會(huì)阻礙光電材料與電子受體或電子給體間的電子轉(zhuǎn)移。比如：采用碘氧化鉍-納米金(BiOI-AuNPs)復(fù)合光電材料檢測(cè)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶時(shí)[46]，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶對(duì)電極表面的雙鏈DNA進(jìn)行甲基化，甲基化位點(diǎn)可以與甲基化結(jié)合蛋白(MBD)結(jié)合，由于MBD的位阻效應(yīng)，光電流減小。基于抗原-抗體反應(yīng)產(chǎn)生的類似位阻效應(yīng)，CdS QDs[47]和TiO2-AuNPs復(fù)合材料[48]被分別用于鼠抗人IgG和多環(huán)芳香烴(PAH)的光電化學(xué)檢測(cè)。

多分支拖曳線列陣聲納系統(tǒng)在正常工作時(shí)，一般處于運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)或是準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，這是由于當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化過(guò)于劇烈時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響聲納系統(tǒng)工作的有效性和準(zhǔn)確性。判斷多分枝線拖曳列陣系統(tǒng)是否處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)的指標(biāo)一般有以下兩個(gè)：

金屬基半導(dǎo)體材料雖然光電轉(zhuǎn)化效率高，但其導(dǎo)電性差，在修飾膜較厚時(shí)光電流信號(hào)反而較小。碳基材料與半導(dǎo)體材料的復(fù)合可解決這些缺點(diǎn)，形成具有優(yōu)良光電性能的復(fù)合光電材料。將GR-CdSe納米復(fù)合材料修飾到電極表面，在其上固定核酸適體，再與凝血酶結(jié)合形成核酸適體復(fù)合物，利用復(fù)合物的形成對(duì)光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移的阻礙，可實(shí)現(xiàn)凝血酶的無(wú)標(biāo)記光電化學(xué)傳感[49]?；陬愃频脑恚珿R-CdS納米復(fù)合材料也被應(yīng)用于人宮頸癌細(xì)胞的光電化學(xué)檢測(cè)[50]。在光電化學(xué)傳感體系中，一般采用二元金屬?gòu)?fù)合材料來(lái)增強(qiáng)光電響應(yīng)(如CdSe[51]等)，而三元金屬?gòu)?fù)合材料對(duì)于轉(zhuǎn)換體系中電子的注入和空穴的恢復(fù)比二元材料更加有利，因此可以獲得更大的光電流。Kang等[52]通過(guò)將五氯苯酚抗體固定在CdSexTe1-x/TiO2材料表面，牛血清白蛋白(BSA)封閉后，五氯苯酚在修飾電極表面的結(jié)合導(dǎo)致位阻效應(yīng)增加，光電流減小，從而實(shí)現(xiàn)了五氯苯酚的高靈敏、高選擇性光電化學(xué)檢測(cè)。基于類似的原理，Cai等[53]合成了具有分段能帶邊結(jié)構(gòu)的CdTe/CdS-TiO2復(fù)合材料，并將其應(yīng)用于八氯苯乙烯的光電化學(xué)檢測(cè)。

金屬氧化物或量子點(diǎn)半導(dǎo)體材料一般具有較好的光電轉(zhuǎn)換效率，但也可能存在激發(fā)能量高、光穩(wěn)定性相對(duì)較差等問(wèn)題，通過(guò)表面功能化修飾或制備相應(yīng)的復(fù)合材料，可顯著減小這些半導(dǎo)體材料中電子-空穴對(duì)的復(fù)合幾率、增強(qiáng)光電流信號(hào)和穩(wěn)定性，其表面修飾方法有：(1)連接到聯(lián)吡啶衍生物上[54]；(2)將導(dǎo)帶上的電子通過(guò)納米復(fù)合材料轉(zhuǎn)移到其它納米粒子上，如CdS/TiO2[55]；(3)表面修飾功能高分子材料。比如將樹狀大分子聚酰胺-胺(PAMAM)修飾到CdS上，PAMAM表面的氨基可以作為空穴受體，減小CdS材料上電子-空穴復(fù)合的幾率、增強(qiáng)光電流[56]。PAMAM可與伴刀豆球蛋白A(ConA)通過(guò)戊二醛結(jié)合，基于人體肝癌細(xì)胞(SMMC-7721)與電極表面ConA結(jié)合產(chǎn)生的位阻效應(yīng)，可以定量檢測(cè)SMMC-7721。Bas等[57]設(shè)計(jì)了一種基于多電極陣列的光電化學(xué)傳感器，可以同時(shí)高靈敏地檢測(cè)多種獸藥殘留。他們將聚烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)、AuNPs和CdS通過(guò)層層自組裝修飾到金電極表面，然后將克倫特羅、萊克多巴胺和氯霉素的抗體分別共價(jià)鍵合到三個(gè)修飾好的工作電極表面，通過(guò)抗原-抗體免疫識(shí)別產(chǎn)生的位阻效應(yīng)對(duì)CdS光電信號(hào)的影響，可同時(shí)檢測(cè)三種抗原。此外，采用分子印跡技術(shù)時(shí)，聚合物膜上的結(jié)合位點(diǎn)與待測(cè)分子結(jié)合后可能會(huì)產(chǎn)生位阻效應(yīng)，阻礙溶液中電子給體與光電材料之間電子轉(zhuǎn)移，該原理被應(yīng)用于五氯苯酚(PCP)[58]和氰代菊酯[59]等物質(zhì)的光電化學(xué)檢測(cè)。

2.4 基于染料敏化效應(yīng)的光電化學(xué)傳感方法

將有機(jī)/無(wú)機(jī)染料吸附到半導(dǎo)體材料的表面，利用染料對(duì)可見光的強(qiáng)吸收，將寬帶隙半導(dǎo)體體系的光譜響應(yīng)延伸到可見區(qū)，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的染料敏化效應(yīng)。對(duì)于金屬氧化物半導(dǎo)體光電化學(xué)傳感體系而言，染料敏化現(xiàn)象不但能顯著拓展光電化學(xué)傳感器在可見光區(qū)的光電轉(zhuǎn)換性能，其與高選擇性生物識(shí)別過(guò)程的耦合，還可發(fā)展出一系列高信噪比、高靈敏的光電化學(xué)生物傳感器。基于聯(lián)吡啶釕的染料敏化效應(yīng)，Zhang等[60]構(gòu)建了一種無(wú)標(biāo)記的DNA光電化學(xué)傳感器。當(dāng)無(wú)目標(biāo)DNA鏈存在時(shí)，固定在捕獲DNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)末端的聯(lián)吡啶釕靠近SnO2修飾電極表面，在可見光區(qū)產(chǎn)生較大的染料敏化光電流；當(dāng)捕獲DNA與目標(biāo)DNA發(fā)生雜交后其發(fā)夾結(jié)構(gòu)打開，使捕獲DNA末端的聯(lián)吡啶釕遠(yuǎn)離電極表面，染料敏化現(xiàn)象消失、光電流減弱，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)DNA的高靈敏光電化學(xué)檢測(cè)。Zhang等[61]還利用單鏈及雙鏈DNA與釕配合物(Ru(bpy)2dppz2+)結(jié)合能力的差異，將核酸適體與三磷酸腺苷(ATP)之間的選擇性識(shí)別引入DNA傳感體系中，建立了SnO2修飾ITO電極上ATP的染料敏化光電化學(xué)傳感器，可實(shí)現(xiàn)3.2 nmol/L ATP的高靈敏檢測(cè)。Dong等[62]將親和素(SA)固定在涂有蛋白質(zhì)的ITO電極上，然后用未標(biāo)記的BSA封閉，再與聯(lián)吡啶釕-BSA-生物素復(fù)合物(Ru-BSA-BT)反應(yīng)?；诖?，待測(cè)BSA越多，連接到電極表面的聯(lián)吡啶釕就越多，光電流越大，從而實(shí)現(xiàn)BSA的定量檢測(cè)。Haddour等[63]采用生物素化的聯(lián)吡啶釕作為光電材料，建立了抗霍亂毒素抗體的光電化學(xué)傳感器。生物素化的聯(lián)吡啶釕探針首先通過(guò)電沉積方法固定到電極表面，然后通過(guò)親和反應(yīng)固定親和素標(biāo)記的霍亂毒素亞基，與霍亂毒素抗體發(fā)生免疫反應(yīng)，所形成的免疫反應(yīng)復(fù)合物蛋白質(zhì)層增加了電子受體Co(Ⅲ)與光電材料之間的距離，從而抑制了電極表面固定化聯(lián)吡啶釕與溶液中Co(Ⅲ)之間的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，導(dǎo)致光電流減小。

染料敏化光電化學(xué)傳感器也可用于DNA的損傷檢測(cè)。Liang等[64]發(fā)現(xiàn)光生Ru(Ⅲ)復(fù)合物可氧化DNA上的胍和腺苷基而產(chǎn)生光電流，DNA與苯乙烯或者是Fe2+/H2O2反應(yīng)(芬頓反應(yīng))后，引起DNA損傷暴露更多的DNA堿基，被光生Ru(Ⅲ)復(fù)合物氧化后導(dǎo)致光電流上升，從而檢測(cè)DNA損傷。Liu等[65]也建立了DNA損傷的光電化學(xué)檢測(cè)方法。其原理是：在四氟苯喹啉(TFBQ)或TFBQ/H2O2試劑的作用下，固定在電極上雙鏈DNA分子發(fā)生損傷，導(dǎo)致插入雙鏈DNA分子中的光敏分子減少，光電流也隨之減小。采用類似的傳感原理，Zhang等[66]研究了甲酰嘧啶-DNA糖基酶(Fpg)對(duì)DNA損傷的修復(fù)。其研究表明，F(xiàn)pg可以修復(fù)所有的獨(dú)立損傷部位，但由芬頓反應(yīng)引起的串聯(lián)損傷則只能修復(fù)50%，避免了對(duì)DNA損傷的低估。染料敏化原理還可用于Pb2+的檢測(cè)[67]，即Pb2+可激活能切割DNA鏈的DNA酶，這種切割作用使嵌入DNA鏈中的聯(lián)吡啶釕分子減少，導(dǎo)致染料敏化光電流減小。

除了聯(lián)吡啶釕外，卟啉和某些有機(jī)染料也可以用于染料敏化型光電化學(xué)傳感器。比如，甲基紫精-硫化鎘(MV-CdS)[68]、卟啉-氧化鋅(TCPP-ZnO)[69]和原卟啉-氧化鎢-還原石墨烯(PPIX-WO3-rGO)[70]等染料敏化半導(dǎo)體材料修飾的ITO電極，可實(shí)現(xiàn)半胱氨酸的光電化學(xué)檢測(cè)。

2.5 基于酶聯(lián)免疫反應(yīng)的光電化學(xué)傳感方法

將光電化學(xué)傳感原理與酶聯(lián)免疫分析相結(jié)合，能極大地提高檢測(cè)的靈敏度。Zhao等[71]將ALP和納米金修飾到前列腺特異性抗原(PSA)的檢測(cè)抗體上，通過(guò)夾心免疫將ALP引入電極表面，利用ALP催化測(cè)試溶液中AAP產(chǎn)生電子給體AA，基于光電流與PSA濃度之間的定量關(guān)系實(shí)現(xiàn)PSA的高靈敏光電化學(xué)檢測(cè)。同理，An等[72]設(shè)計(jì)金摻雜的二氧化鈦納米管(Au-TiO2NTs)陣列作為光電材料，利用二抗上標(biāo)記GOx的酶促反應(yīng)產(chǎn)生H2O2作為電子給體，實(shí)現(xiàn)了突觸核蛋白的光電化學(xué)免疫傳感。Li等[73]將TiO2修飾在基底電極表面固定甲胎蛋白(AFP)抗體，將CdTe QDs與葡萄糖氧化酶(GOx)同時(shí)標(biāo)記在待檢測(cè)AFP上(AFP-CdTe-GOx)，建立了一種雙重信號(hào)放大的AFP高靈敏光電化學(xué)傳感器。Zhao等[74]利用光電化學(xué)傳感與酶聯(lián)免疫分析的協(xié)同作用，建立了一種小鼠免疫球蛋白(IgG)的高靈敏檢測(cè)方法。在該傳感器中，多個(gè)因素的協(xié)同作用使此傳感器靈敏度顯著增強(qiáng)：(1)Ab1-Ag-Ab2-HRP夾心式的免疫復(fù)合物與單獨(dú)的Ab1-Ag相比加入了Ab2-HRP，位阻增大，阻礙了電子給體向光電材料的傳遞，增加了電子空穴的復(fù)合的幾率，所以光電流減?。?2)通過(guò)HRP催化檢測(cè)溶液中的H2O2氧化4-CN生成不溶物沉積在電極表面形成絕緣層，阻礙了電極界面的電荷傳遞，減小了光電流；(3)HRP在380～420 nm區(qū)間內(nèi)有較強(qiáng)的光吸收，產(chǎn)生非產(chǎn)物性競(jìng)爭(zhēng)光吸收，減小了光電流。

2.6 基于能量轉(zhuǎn)移機(jī)制的光電化學(xué)傳感方法

光電化學(xué)傳感器一般需要外加光源激發(fā)光電轉(zhuǎn)換材料，采用化學(xué)發(fā)光代替物理光源可簡(jiǎn)化儀器裝置，且化學(xué)發(fā)光材料激發(fā)出的不同波長(zhǎng)光源能避免使用單色器。Zhang等[75]首次報(bào)道了化學(xué)發(fā)光代替物理光源在光電化學(xué)傳感中的應(yīng)用。他們將CIPO-H2O2-9,10-二苯基蒽體系作為發(fā)光源，通過(guò)激發(fā)嵌入DNA鏈中的聯(lián)吡啶釕光電活性材料產(chǎn)生光電流，利用DNA雜交前后聯(lián)吡啶釕固定量的差異，實(shí)現(xiàn)了DNA的光電化學(xué)檢測(cè)?；陬愃频脑恚斆字Z[76]和異魯米諾[77]等都也可作為化學(xué)發(fā)光材料應(yīng)用于光電化學(xué)傳感。

某些納米粒子可以與光電材料發(fā)生能量轉(zhuǎn)移機(jī)制，如等離子體共振、局部表面等離子體共振等，從而影響光電材料的光電響應(yīng)。Zhao等[78]將CdS QDs和AgNPs的激子等離子體共振(EPI)應(yīng)用于光電化學(xué)DNA傳感系統(tǒng)。當(dāng)電極表面固定化CdS QDs上修飾的DNA單鏈與標(biāo)記AgNPs的DNA單鏈雜交時(shí)，AgNPs靠近CdS QDs，因?yàn)镃dS QDs和AgNPs的吸收峰重疊，光照下CdS QDs的激發(fā)和AgNPs的共振可以同時(shí)發(fā)生，即發(fā)生EPI作用，導(dǎo)致CdS QDs上電子-空穴的復(fù)合幾率增大，光電流降低。相反，在H2O2存在下，AuNPs可在TiO2表面形成金納米晶簇，緊密的金納米簇可以產(chǎn)生較強(qiáng)的局部表面等離子體共振(LSPR)[79]。LSPR可促進(jìn)AuNPs表面的電荷分離，導(dǎo)致TiO2表面共振光電流的增強(qiáng)，由此可檢測(cè)產(chǎn)生H2O2的生物催化反應(yīng)，如葡萄糖的測(cè)定。

某些常見的無(wú)機(jī)離子可與光電材料發(fā)生交換反應(yīng)或者改變光電材料的結(jié)構(gòu)，從而通過(guò)光電流的變化實(shí)現(xiàn)其檢測(cè)。Shen等[80]采用ZnO/CdS異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為光電材料定量檢測(cè)Cu2+。在該體系中，Cu2+能與CdS相互作用形成Cu2S，且光照下Cu2+能還原為Cu+；因?yàn)镃uxS的溶解度低于CdS，CuxS會(huì)覆蓋在CdS表面，使其能級(jí)降低、促進(jìn)了電子-空穴的復(fù)合，最終導(dǎo)致光電流的減小。Liang等[81]將待測(cè)Cd2+原位電沉積在TiO2納米管表面形成CdSe/TiO2復(fù)合材料，利用光電流的增大檢測(cè)Cd2+?；陬愃频脑恚琀g2+[82]和S2-[83]也可采用光電化學(xué)方法檢測(cè)。

3 光電化學(xué)傳感方法的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景

光電化學(xué)傳感方法在高靈敏生化分析中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景，已引起不同領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注，是當(dāng)前生命分析學(xué)科的熱點(diǎn)研究方向。然而，光電化學(xué)傳感方法目前還處于起步階段，進(jìn)一步的發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)，其今后的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景可能表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)新型高性能光電轉(zhuǎn)換材料的制備與應(yīng)用。光電轉(zhuǎn)換材料是發(fā)展光電化學(xué)傳感的基礎(chǔ)，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，各種新型光電材料不斷涌現(xiàn)，可為光電化學(xué)傳感的進(jìn)一步發(fā)展提供新的契機(jī)。比如，金屬基光電材料一般氧化能力較強(qiáng)，對(duì)生物傳感界面的構(gòu)筑不利，我們利用富勒烯和碳納米管作為光電材料和生物分子的固定載體，制備出一種全碳型光電化學(xué)生物探針[84]，可顯著提高光電化學(xué)傳感體系的穩(wěn)定性和使用壽命。

(2)新型光電化學(xué)傳感原理的建立與應(yīng)用。目前，光電化學(xué)傳感原理已利用了電化學(xué)傳感體系建立的多種檢測(cè)模式，包括直接氧化/還原、酶聯(lián)免疫、位阻效應(yīng)等；借鑒太陽(yáng)能電池工作原理或光學(xué)分析原理，光電化學(xué)傳感方法建立了自驅(qū)動(dòng)、染料敏化和能量轉(zhuǎn)移等傳感原理。然而，光電化學(xué)傳感方法還有一些潛在的傳感原理有待發(fā)展，比如可在單通道電化學(xué)測(cè)試體系中利用光信號(hào)的高空間分辨發(fā)展尋址高通量光電化學(xué)傳感體系；可利用激發(fā)光信號(hào)的波長(zhǎng)調(diào)制特性，利用不同激發(fā)光源發(fā)展波長(zhǎng)調(diào)制高通量檢測(cè)等。

(3)新型光電化學(xué)測(cè)試儀器的使用與集成。當(dāng)前光電化學(xué)傳感研究一般采用商品化電化學(xué)測(cè)試體系和較大型的氙燈光源，雖然檢測(cè)性能優(yōu)良，但存在儀器設(shè)備成本高、難以便攜化等不足。將光電化學(xué)傳感的可自驅(qū)動(dòng)特性與低成本電流測(cè)試設(shè)備(如血糖儀、電流計(jì)及低功耗LED燈等)及單色光源(如半導(dǎo)體單色激光器)結(jié)合，有望發(fā)展出類似商品化血糖儀的自驅(qū)動(dòng)、高集成、便攜式光電化學(xué)傳感體系。