精准的生化分析和医学检验是推动人类社会发展,提高人类幸福健康指数的重要环节。2019年末一场席卷全球的由新型冠状病毒感染的肺炎疫情使人们更加深刻认识到了实现精准快速的生化分析和医学检验的重要性。光电化学（Photoelectrochemical,PEC）生物传感器是一种建立在电化学检测装置基础上的,同时结合了电分析和光分析方法的用于探究分子浓度或含量信息的新型生物分析装置,近年来受到了研究者们的广泛关注。其输入信号为光信号,输出信号为电信号（光生电流信号）,即输入信号和输出信号的形式完全不同,这大大降低了PEC生物传感器的背景信号,赋予了PEC生物传感器更高的灵敏度和更低的检测限。得益于此,PEC生物传感器往往展现出对靶标生物分子优异的分析性能以满足实际检测的需要,这使得其在克服现有生物传感分析装置灵敏度不足的问题上具有令人渴望的曙光。根据PEC生物传感器的作用机制,其信号响应强度的变化量是检测性能优良的一个决定因素,所以为了得到更为优异的检测性能,就迫切需要所构建PEC生物传感器的光电流响应表现出更大变化。为了达到这一目的,设法提高PEC生物传感器的光电流响应强度是一个有力的突破口。考虑到光电活性材料的光电转换效率主要决定着光电流响应强度的大小,那么,对光电活性材料进行设计和加工,开发出新型高效的光电敏化或猝灭结构,并将其巧妙应用于PEC生物传感器中就显得格外重要。同时,基于靶标生物分子的信号放大策略可使少量的靶标物质转换成大量的可测量,进一步提高所构建PEC生物传感器的检测灵敏度。以此为出发点,本篇论文开发出了多种具有较高光电转换效率的光电活性材料,并设计出了高效的生物分子信号放大策略,以此构建出一系列新型的光电敏化结构和猝灭结构。在此基础上研制出的PEC生物传感器展现出对靶标DNA（p53基因的一段序列）优异的检测性能,其有望进一步推动人类社会中的生化分析和医学检验的进步。具体工作如下:1.基于[Ru（dcbpy）₂dppz]²⁺/Rose Bengal染料共敏化Fullerene的超灵敏光电化学生物传感器用于DNA的检测研究虽然通过构建敏化结构来提高富勒烯(Fullerene C₆₀)的光电转化效率已经获得了较大进展,但是普遍采用贵金属量子点作为敏化剂具有敏化效率低、操作复杂以及生物毒性较大等固有缺点,这极大地限制了基于C₆₀的PEC生物传感器在生物分析中的进一步应用。此项工作将[Ru（dcbpy）₂dppz]²⁺和Rose Bengal两种染料小分子发展为C₆₀的敏化剂,并基于[Ru（dcbpy）₂dppz]²⁺/Rose Bengal染料共敏化C₆₀结构,成功设计出用于超灵敏检测靶标DNA的PEC生物传感器。两种染料小分子毒性较低、制备简单,更重要的是,它们拥有较窄的禁带宽度,可以很好地匹配宽禁带的C₆₀以组成级联型能带结构,因而展现出对C₆₀更高的敏化效率。所得到的级联型敏化结构的光电转化效率大大提高,可见光吸收明显增强,最终获得了优异的光电流信号。同时,通过Nt.BstNB I酶辅助目标物循环放大策略的实施,少量的目标物被转换成大量标记有信号猝灭剂二氧化硅的DNA序列。当其修饰到电极表面时,电极表面的位阻急剧增加,这导致了光电流信号的有效猝灭。该PEC生物传感器实现了对靶标DNA从0.1 fmol/L到1 nmol/L的宽线性范围检测,实际检测限低至37 amol/L,并且为DNA、micro RNA和蛋白质等多种多样目标物的分析检测提供了一条有趣的途径。2.具有高效光电化学活性的p-n-敏化异质结构Co₃O₄/Fullerene用于DNA的超灵敏检测研究在PEC领域,极度渴望构建出具有高光电转化效率和高光电流强度的光电敏化结构,但是在敏化剂发展和敏化效率等课题上依然存在一定挑战。通过合理匹配的能带结构,此项工作采用p型金属氧化物半导体Co₃O₄实现了光电基质n型fullerene的高效敏化,构建出的p-n-敏化异质结构Co₃O₄/fullerene有效促进了电荷分离、加快了载流子迁移率,从而提高了光电转化效率,增强了光电流响应强度。相对于传统的p-n异质结构,p-n-敏化异质结构Co₃O₄/fullerene展现出更宽范围和更强能力的可见光吸收,其产生的光电流强度是单纯fullerene的6倍,该成果好于目前所有已经报道的对fullerene敏化工作的成果,这非常有利于提高后续所构建PEC生物传感器的检测灵敏度。基于高PEC活性的p-n-敏化异质结构Co₃O₄/fullerene作为光电活性材料、三维DNA分子步行机作为目标物级联信号放大策略、纳米Au层作为光电活性材料和信号放大产物之间的特异性联结元素,此项工作研制出的用于靶标DNA超灵敏检测的PEC生物传感器具有从60到1×10⁵ amol/L的宽线性范围和20 amol/L的超低检测限。这项工作取得了令人满意的研究结果,为推动PEC生物传感器的发展指明了新的方向。3.基于Fullerene和Fullerenol的免标记光电化学传感平台的不同表现:对生物分析多样化发展的深入研究采用碳纳米材料构建用于生物分析的免标记传感平台是非常迫切的,但是在其多样化发展方面仍显不足。此项工作将零维fullerene和它的富羟基功能化衍生物富勒烯醇（Fullerenol）用作PEC指示剂构建出两个具有很大不同传感表现的免标记光电化学传感平台,并从以下两个方面重点进行了阐述:（1）fullerene和fullerenol对单链DNA和双链DNA不同的分辨能力;（2）AuNP对fullerene和fullerenol不同的PEC猝灭率。研究发现,fullerene通过π-π堆积相互作用对单链DNA和双链DNA均具有很强的吸附力,因此fullerene没有DNA单双链分辨能力。有趣的是,fullerenol通过致密的氢键相互作用可以敏锐地捕获单链DNA,但是对双链DNA却表现出释放特性,因此fullerenol具有分明的DNA单双链分辨能力。与此同时,通过可见光诱导的电荷转移效应,AuNP对fullerene的PEC猝灭率只有26%,然而对fullerenol的PEC猝灭率高至85%,我们将此归因于Au/fullerenol界面比Au/fullerene界面存在更有利于电子转移驱动力的缘故。本着对生物分子更为优异检测性能的追求,最终采用基于fullerenol的免标记光电化学传感平台进行靶标DNA的超灵敏和高选择性检测,并得到了优异的分析性能,其线性范围为1 fmol/L-100 pmol/L,检测限为0.33 fmol/L。这一深入的研究工作有利于推动生物分析的多样化发展,并有望进一步促进临床诊断、药物治疗和其他相关课题的发展。