重掺杂半导体纳米晶等离子体光电化学生物传感研究

Taking advantages of the antennas of light, enhancement of carriers separation, prolongation of carrier lifetime, plasmonic energy transfer can greatly improve the detection sensitivity of photoelectrochemical (PEC) sensing. In light of high energy loss in noble metal plasmons, instead, a novel plasmonic PEC sensing system in heavily-doped semiconductor nanocrystals will be discussed here. Firstly, the effects of doping ratios, nanocrystal morphology/size, and operating parameters on the localized surface plasmon resonance (LSPR), light/electric performances of nanocrystal will be discussed. Secondly, the energy-matching relationship between the plasmons or excitons in these nanocrystals and the incident photons will be deeply investigated. Thirdly, the effects of multiple exciton generation (MEG) and LSPR on the PEC performance of these nanocrystals and also their mutual interaction will be further explored. Finally, the influencing mechanisms of MEG and LSPR effects of these nanocrystals on the enhancement of PEC sensing will be uncovered in order to build a new theory and a new system for ultrasensitive, label-free, and rapid detection based on the molecular recognition element of functional nucleic acid combined with biological amplification technology. This project creatively integrates the MEG and LSPR effects of heavily-doped semiconductor nanocrystals together with PEC sensing advantages, and deeply investigates the enhancement mechanism of novel semiconductor plasmons on PEC sensing. It will extend the application field of plasmonic semiconductors to construct a new platform for food safety warning and also promote the development of PEC sensing.

等离子体能量转移集增强光子吸收、促进载流子对分离、延长载流子寿命为一体，可有效提高光电化学检测灵敏度。鉴于贵金属等离子体具有较大能量损失，本项目拟开展重掺杂半导体纳米晶等离子体光电化学传感新体系的研究，讨论掺杂比例、纳米晶尺寸/形貌、操作条件等对其局域表面等离子体共振波长和光、电性能的影响；深入探讨其激子、激元和光子之间的能量匹配关系；进而探讨多激子产生效应和局域表面等离子体共振效应对其光电性能的影响及其相互联系，揭示其增强光电化学传感的新原理和新机制，以功能核酸作为分子识别元件并结合生物放大技术，实现超灵敏、免标记和快速检测。本工作创造性地集成重掺杂半导体纳米晶局域表面等离子体共振效应、多激子产生效应和光电化学传感的优点，将深入探讨新型半导体等离子体增强光电化学传感的新机制，拓展半导体等离子体的应用范围，为食品安全预警机制的建立提供新平台，并促进光电化学分析领域的发展。

光电化学生物传感是一种新颖的分析方法，它主要基于生物识别元件结合靶标前后所引起的光电流的变化确定待测组分含量。拓宽吸收范围、增强光子捕获和促进载流子对有效分离和收集是光电转化过程中的关键问题，而光电转化效率则直接影响光电化学传感检测灵敏度。针对上述问题，寻找新型光电材料，探究光电化学传感新机制是光电化学传感发展的必然选择。等离子体能量转移集增强光子吸收、促进载流子对分离、延长载流子寿命为一体，可有效提高光电化学检测灵敏度。鉴于贵金属等离子体具有较大能量损失，本项目开展了一些重掺杂半导体等离子体光电化学传感新体系的研究。主要研究内容如下：(1) 基于Co2+掺杂ZnO、Mn2+掺杂ZnO半导体作为新颖的光电信标，分别构建了农药啶虫脒和人体血液中钾离子的高灵敏光电化学核酸适配体传感器；(2) 基于纳米金等离子体敏化氧化锌铅笔或二氧化钛半导体复合物材料为光电信标，分别构建了牛奶中双酚A和四环素的高性能核酸适配体光电化学传感器；(3) 基于溶胶-凝胶法所制备的SiO2@TiO2微球及后续的化学刻蚀和阳离子交换法，分别制备了Cd2+、Ca2+掺杂无定形TiO2空心球，以其作为光电信标和靶标测试探针，构建了两个新颖的气体传感器，可以高灵敏度、高选择性地检测工业废气中有毒的硫化氢、二氧化硫气体；(4) 基于银离子掺杂的SiO2微球构建了一个空气中甲醛检测的超灵敏电化学阻抗传感器，该传感器低于目前已有报道的甲醛传感器检测限两个数量级以上；(5) 以内嵌的纳米金/氧化锌纳米线阵列为模板，首次研究了无序光子学耦合纳米贵金属等离子体效应有效增强光电流的新机制。此处，在优化后的纳米金基底上，无序性增强的纳米金/氧化锌纳米线阵列光电流为氧化锌纳米线光电流的20倍。纳米金的局域表面等离子体共振、表面等离激元、无序性增强的光子都有助于提高光电流。本项目为环境毒素预警机制的建立提供了新平台，深入探讨了半导体等离子体增强光电化学传感的新机制，并将促进光电化学分析领域的发展。