基于CdSe@ZnS量子点密堆积超晶结构光电传感器的制备及性能研究

Photoelectrochemical (PEC) sensing, an analytical method based on photoelectric effect, is becoming a promising detection technique in probing various biological events. The PEC sensing uses two separated energy forms for sensor excitation and detection, which could reduce undesired noises arising from the background and thus possesses high sensitivity. However, there are some limitations in the application of PEC sensing, including weak signal stability and low photoelectric conversion efficiency. Therefore, developing an electrode material with homogeneous sensing interfaces and high photoelectric effect is of great importance to the developing of PEC sensing device. According to the assembly structure depended sensing properties, this project proposes to design the controlled preparation of close-packed superlattices assembled by CdSe@ZnS quantum dots to serve as the electrode materials. On the one hand, the superlattice assemblies could realize the uniform sensing interfaces to improve the signal stability. On the other hand, the close-packed superlattices would enhance the sensitivity by strong coupling between adjacent dots. Furthermore, the superlattice assembly structures could be controlled by adjusting the parameters such as temperature, concentration and ligands. The work would further survey the effect of different assembly structures on the PEC sensing performances in detecting of biomolecules. This work is committed to survey the mechanisms of photoelectric conversion and electron transport, providing a deep understating of PEC analysis.

基于光电转化原理的光电化学（PEC）传感器采用光电分离的信号体系有利于降低背景干扰，对多种生命事件的高灵敏监测均有着重要应用潜力。然而，PEC传感器在实际应用过程中依然有许多限制，包括电极材料的数据稳定性差、光生电子转移效率低等问题。因此，发展一种具有均一化传感界面、高效光电转化的PEC传感器电极材料是非常有必要的。本项目基于“材料组装-结构调控-性能优化”的研究思路，拟开发CdSe@ZnS量子点密堆积超晶结构电极材料的可控制备技术。一方面通过超晶结构实现均一化传感表面、提高传感器稳定性；另一方面通过密堆积量子点强耦合产生增强的光电效应、提高传感器灵敏度。进一步通过浓度、温度、配体等条件调控量子点组装结构，探讨不同结构对于PEC传感器光电性能的影响，并实现对生物小分子的高灵敏检测。通过对半导体量子点电极材料结构性质的多方面解读，发掘光电转化和电子传输机制，实现对PEC传感方法的深入研究。

基于光电效应原理的光电化学（PEC）传感结合了光化学和电化学的优点，是一种有效的动态分析检测技术，在监测各种生物事件如细胞传感、免疫分析、DNA分析、小分子检测中都有重要应用价值。PEC传感器采用光电分离的信号体系有利于降低背景干扰，价格低廉且易于集成化，可以满足高通量生物学检测需求。然而，PEC传感器在实际应用过程中依然有许多限制，包括电极材料的数据稳定性差、光生电子转移效率低等问题。因此，发展一种具有均一化传感界面、高效光电转化的PEC传感器电极材料是非常有必要的。本项目基于“材料组装-结构调控-性能优化”的研究思路，开发了一种基于电活性纳米材料密堆积超晶结构电极材料的可控制备技术。一方面通过超晶结构实现均一化传感表面、提高传感器稳定性；另一方面通过密堆积量子点强耦合产生增强的光电效应、提高传感器灵敏度。进一步通过浓度、温度、配体等条件调控量子点组装结构，探讨不同结构对于PEC传感器光电性能的影响，并实现对生物小分子的高灵敏检测。通过对半导体量子点电极材料结构性质的多方面解读，发掘光电转化和电子传输机制，实现对PEC传感方法的深入研究。首先制备了高发光质量的CdSe@ZnS量子点，利用微乳胶挥发法和乙二醇界面挥发法实现密堆积超晶格组装体的制备。同批次不同电极光电流数据的偏差处于0.3%以下，说明CdSe@ZnS量子点密堆积超晶结构电极表现出较好的稳定性和重复性。其次，以自组装的AuNPs为电极材料，有序排列的组装结构提供了物理化学性质等同的微表面，以此为多巴胺的氧化还原反应提供大量等价的活性催化位点，较无序的AuNP/ITO来说提高了数据重复性。因此，有序组装结构将比无序结构具有更好的催化传感性能。再次，制备了半导体CsPbBr3钙钛矿纳米晶组装到ITO电极上实现了对小分子谷胱甘肽的灵敏性检测。这一系列工作表明规则排列的有序纳米粒子电极体现出更加优异的数据重复性。这些研究可能会为开发具有标准化性能和其他性能纳米特性的工业化纳米材料电极的可能性带来新思路。考虑到功能纳米材料和多元组装系统可以被引入到超结构电极中，本项目研究工作的结果可能为开发具有优异再现性和其他有用性能的有效归一化纳米材料电极奠定了基础。