光电化学生物传感是一种在生物医学和环境监测等领域具有实际应用潜力的新兴传感技术。该传感技术是基于光响应材料受光照激发后产生的光生电荷与待测物质直接或间接发生氧化还原反应引起电学信号的变化实现对待测物的定性或定量分析。光电化学生物传感不仅具有电化学生物传感经济、灵敏、便携等优点,而且由于分析过程中将激发信号与检测信号完全分开,即以“光激发-电检测”的模式工作,显著降低了背景噪音,与单独电化学方法相比具有更高的检测灵敏度以及更低的检出限的特点。由于具有良好的特异性,以氧化酶为生物识别元件构建的光电化学酶生物传感器得到了广泛关注。在氧气存在条件下,氧化酶将底物催化氧化,产生的过氧化氢可以进一步与光生电子或空穴反应产生光电流信号。根据这一原理,众多科研人员开发了一系列性能优异的传感器件,但光电化学酶生物传感器中不少核心问题仍有待解决,如:氧化酶催化反应界面氧气浓度低且易波动,严重制约氧化酶反应动力学和传感检测准确性;另一方面光响应电极当中光生电荷传输速率慢、收集效率低也限制着光电化学反应效率。而氧化酶催化反应和光电化学反应效率共同影响光电化学酶生物传感器线性检测范围、灵敏度和最低检出限等性能。在本论文中,主要通过对传感器催化反应界面微环境进行合理的设计,一方面利用人工超疏水材料表面特殊的浸润性构建固-液-气三相界面为气体反应物(氧气)提供传输通道,进而提高并稳定氧化酶催化反应动力学;另一方面利用具有快速电荷传输性能的一维单晶纳米光电响应材料提高载流子传输速率和收集效率,进而提升光电化学反应效率。两者有机结合共同构建了基于过氧化氢氧化或还原反应为原理的光电化学生物传感器,并以葡萄糖检测为代表进行了深入的分析与探讨。本论文主要研究内容如下:(1)通过水热法在透明的导电玻璃基底上合成了分立的一维单晶TiO2纳米线阵列,疏水化处理后于阵列顶端修饰氧化酶,构建了具有固-液-气三相反应界面的酶生物传感电极。其中固-液-气三相界面微环境的引入使得酶催化反应所需氧气可以从气相通过纳米线之间的间隙直接传输到催化反应活性位点,从而保证反应界面微环境中恒定的高氧气浓度,通过改变氧气的传输通道提高并稳定了酶催化反应动力学。以传感检测葡萄糖为例,所构建的固-液-气三相光电化学生物传感器的线性检测范围比固-液两相体系提升了两个数量级,并且检测的准确性也得到了明显的提升。另外,一维单晶纳米线结构具有快速的电荷传输能力,使得纳米线组装的传感电极与传统纳米颗粒堆积而制备的光电化学传感电极相比,传感检测葡萄糖的灵敏度提高了近13倍,最低检出限降低了 32倍。该传感器的设计原理同样可以实现对其他物质的传感分析。(2)合成了一维单晶TiO2纳米线阵列,通过吸附-还原的方法在其表面修饰了Au纳米颗粒,得到了 Au纳米颗粒修饰的一维单晶TiO2纳米线阵列(Au-TiO2)。在对Au-TiO2疏水化处理并修饰氧化酶后得到了具有可见光响应的固-液-气三相界面光电化学酶生物传感器。Au纳米颗粒可以利用其表面等离子体共振效应有效地吸收可见光产生空穴与氧化酶催化反应产物过氧化氢反应;超疏水一维单晶TiO2纳米线结构不仅为酶催化反应提供氧气传输通道,而且为光生电子提供最直接的传输通道;两者的协同作用获得了高性能的光电化学酶生物传感器。此外,本工作中将可见光取代紫外光作为激发光源提高了酶传感器的稳定性。(3)制备了以一维TiO2纳米线为光阳极,以超疏水一维TiO2纳米线固-液-气三相酶电极为生物传感阴极,组装了基于还原法检测氧化酶催化反应产物过氧化氢为原理的光电化学酶生物传感器。其中一维TiO2纳米线光阳极可以有效地吸收入射光,产生的光生电子可以自发地向传感阴极转移并还原过氧化氢。具有固-液-气三相反应界面的生物传感阴极可以使氧气快速的从气相传质到酶反应区域,从而使得界面氧气浓度以及背景光电流保持恒定,为还原法准确检测过氧化氢奠定了基础。以葡萄糖传感检测为例,该三相酶生物传感器检测的线性范围可达到60 mM,与两相体系相比,该性能提高了 100倍;与纳米颗粒体系相比,其检测的灵敏度和检测下限优势更为显著。通过阴极还原的方式对待测物质检测还可以有效避免一系列内源性或外源性易氧化物质的干扰。通过改变三相酶电极中氧化酶的种类,可以实现蔗糖和乳酸等物质的传感检测,验证了传感体系的普适性。另外,本工作中所构建的传感器可在无偏压的条件下对待测物进行分析,有望在可穿戴设备等实际生产中得到应用。