基于二氧化钛复合纳米材料的新型光电化学脱氢酶传感器的制备

In this project, hydrothermal method will be used to prepare different titanium dioxide nanomaterials (such as nanotubes, nanowires and nanospheres etc) with excellent biocompatibility. The titanium dioxide nanomaterials which can retain their geometry and nano-properties after annealing for crystal transfer will be selected for the next step. Then, the nanocomposites consisting of titanium dioxide nanomaterials and noble metal nanoparticles (Au or Pt) or carbon nanomaterials (graphene nanoplatelets and carbon nanotubes etc) or quantum dots will be synthesized using various methods to improve the electrical conductivity, photoelectrochemical performance and biocompatibility of titanium dioxide nanomaterials. Finally, the as-prepared titanium dioxide nanocomposites, dehydrogenases and coenzyme (NAD(P)+) will be immobilized on the electrode surface to fabricate photoelectrochemical dehydrogenase biosensors. Titanium dioxide nanocomposites are expected to not only regenerate coenzyme (NAD(P)+) efficiently under the visible light radiation, in the absence of electron transfer mediators and at low applied potentials, but also remain the long term bioactivity of dehydrogenases. At the same time, spectroelectrochemical method will be applied to study the electron transfer behavior and calculate the kinetic constants of dehydrogenases on electrodes. Attempt will also be made to research and elaborate the effect of nanocomposites on dehydrogenases during the photoelectrochemical process.

在本项目中，我们首先计划使用水热法制备出具有优异生物相容性能的二氧化钛纳米材料（如纳米管、线和球等），经过焙烧（晶型转变为锐钛矿），从中选出几何构型和纳米特性等保持稳定、具有优异光电性能的纳米材料。拟采用多种方法将所选取二氧化钛纳米材料与贵金属纳米颗粒和（或）纳米碳材料（石墨烯或碳纳米管等）或纳米量子点等结合在一起制备出复合纳米材料，使其具有相较于单纯二氧化钛纳米材料更加优异的光电化学和生物相容性能。将所得复合纳米材料、脱氢酶和烟酰胺型辅酶等共同修饰在电极表面制备出光电化学脱氢酶传感器，其中二氧化钛复合材料能够在低电位、可见光和无电子媒介体条件下实现烟酰胺型辅酶的快速高效再生，构成一个完整的酶催化循环体系；同时能够长时间保持酶的活性和促进其电子交换。我们也计划运用光谱电化学方法研究酶在电极表面的动力学和电子交换行为，阐明复合纳米材料对酶的活性、结构和电子跃迁等的影响。

光电化学（PEC）生物传感器同时具备光学分析和电化学检测技术的优点，包括信噪比高、灵敏度较高、响应速度快、稳定性好和设备廉价等。而结合特殊功能生命大分子（如酶和适配体等）则使PEC传感器具有了很强的选择性。PEC传感器中，光活性材料被用来固定生命大分子和提供检测信号，因而制备具有高光电转换和生物相容性能的材料是提高传感器检测性能的关键。近来，TiO2因具有强光催化活性、稳定性、无毒、形貌可调以及生物相容性等优点被认为是构建PEC生物传感器最理想的材料。然而，两个缺点限制了其应用：① 由于TiO2禁带间隙过宽（3.0-3.2 eV），只能吸收紫外激发光，无法利用可见光，同时紫外光对生命大分子有害；② 光生电子-空穴对易复合、量子产率低。为此，必须对TiO2进行改性，通常包括量子点敏化、金属或非金属元素掺杂、和制备TiO2异质结复合物等方法。其中与窄带隙半导体的耦合是提高TiO2可见光活性，改善其光电性能的最有效方法。. 本项目的主要研究内容为制备多种TiO2异质结复合纳米材料，并将它们应用于脱氢酶、氧化酶和适配体PEC传感器的构建。研究成果包括（1）基于TiO2纳米管－聚苯胺－金纳米颗粒复合纳米材料的乳酸脱氢酶PEC传感器的制备及其应用研究；（2）以MoS2纳米片－TiO2纳米棒异质结为支架的葡萄糖氧化酶PEC传感器的构建；（3）制备TiO2纳米片－石墨相氮化碳复合纳米材料构建PEC酶传感器检测葡萄糖；（4）制备基于TiO2－钒酸铋复合纳米材料的PEC适配体传感器检测17β-雌二醇；（5）制备基于TiO2－二硫化钼－金纳米颗粒复合纳米材料的PEC适配体传感器检测卡那霉素；（6）构建以硫化铜－TiO2异质结为支架的PEC适配体传感器测定微囊藻毒素LR。. 这些传感器检测范围较宽，检测限低，具有良好的选择性、稳定性以及重现性，克服了原有电化学传感器的一些明显缺点。该项目研究成果对于未来高性能实用型PEC传感器的设计有较大的参考价值，提供了新的分析方法检测环境污染物和抗生素，拓展了PEC生物传感器的应用范围。