基于AuNPs-TiO2-Au的光电化学生物传感器及其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了基于AuNPs

【技术实现步骤摘要】
基于AuNPs
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TiO2
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Au的光电化学生物传感器及其制备方法及应用


[0001]本专利技术属于光电化学传感生物检测
，涉及一种基于AuNPs
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TiO2‑
Au的光电化学生物传感器及其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]目前在生物医学研究中，甲胎蛋白（AFP）是临床分析中用于原发性肝癌早期诊断和预后的重要血清标志物，因此，临床分析中肝癌的早期诊断和预后要求AFP浓度的检测方法具有较高的灵敏度和较宽的线性范围。作为临床分析中肝癌早期诊断和预后的最佳候选方法之一，光电化学（PEC）传感器的低背景噪声、快速和低成本的使其在临床早期诊断中具有广阔的应用前景。
[0003]光电化学（PEC）是指在光电活性材料上施加光照，在光激发的作用下电极产生电子
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空穴对及电荷转移，利用电化学工作站检测所产生电流的方法。从而将光能转为电能的光电转换过程。在PEC传感检测中，光照作为激发信号，电信号作为检测信号，由于激发源和探测信号是完全不同的能量形式，所以背景噪声较低，具有很高的灵敏度。
[0004]在PEC传感器中光活性材料能够进行光电转换，将吸收的光子转化为化学能，从而在光催化、太阳能电池、光电化学传感器等领域有大量的应用。在PEC传感的光活性材料中使用TiO2的较为常见，由于TiO2具备高稳定性、无毒无害、优越光活性等优点，是目前最有前途的光电活性材料。但是TiO2的致命弱点
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宽禁带，限制了其对太阳能的吸收（仅吸收大约4%）。因而贵金属掺杂技术应运而生，研究已证实贵金属纳米粒子（Au、Pd、Ag、Cu）掺杂到半导体材料中可在光辐射下，激发自由电子的集体震荡实现局域表面等离子体共振（Localized surface plasmon resonance,LSPR）效应。LSPR效应通过光散射、局域场增强、热电子注入、共振能量转移四种机制加强有源载流子的激发，提升电子
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空穴对的分离概率，从而拓宽光电活性材料的光谱响应范围以及提升对可见光的吸收效率。然而，由于金属纳米粒子的小特征尺寸和强散射效应，它的吸收系数通常较低，严重限制了其光电转换效率。

技术实现思路

[0005]本专利技术克服了现有技术的不足，提出一种基于AuNPs
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TiO2‑
Au的光电化学生物传感器及其制备方法及应用。所要解决的技术问题是如何利用局域表面等离子体共振效应的优点，同时提出结构简单，易于实施的光电化学生物传感器，使甲胎蛋白检测具有更低的检测极限和更大的检测范围。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术是通过如下技术方案实现的。
[0007]基于AuNPs
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TiO2‑
Au的光电化学生物传感器，包括FTO衬底；在FTO衬底的上表面设置有Au膜层，在Au膜层上表面设置有TiO2膜层；所述TiO2膜层上沉积有AuNPs层；所述 TiO2膜层的厚度为50
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110nm；在可见光照射下，利用局域表面等离子体共振产生热电子，所述热
电子跳过在金属
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半导体界面形成的肖特基势垒，注入TiO2膜层，最后转移到Au膜层和FTO衬底。
[0008]优选的，所述 TiO2膜层的厚度为60
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80nm。
[0009]优选的，所述AuNPs层的厚度为5
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10nm。
[0010]优选的，所述AuNPs层为多个AuNPs纳米颗粒。
[0011]优选的，Au膜层的厚度为100
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120nm。
[0012]优选的，所述的FTO衬底为导电玻璃。
[0013]优选的，AuNPs层修饰有甲胎蛋白抗体。
[0014]更优的，用异硫氰酸荧光素标记荧光素甲胎蛋白抗体。
[0015]基于AuNPs
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TiO2‑
Au的光电化学生物传感器的制备方法，包括以下步骤：S1：通过磁控溅射在FTO衬底上生长Au膜层；S2：通过旋转涂层将TiO2溶胶
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凝胶溶液沉积在Au膜层表面上制备TiO2膜层；S3：通过磁控溅射在TiO2膜层表面制备Au薄膜，得到ATA三明治结构；S4：将ATA三明治机构在450
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520℃热退火1
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1.5h后，将Au薄膜制备成均匀的纳米颗粒层。
[0016]可应用于甲胎蛋白检测的基于AuNPs
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TiO2‑
Au的光电化学生物传感器。
[0017]本专利技术基于AuNPs/TiO2/Au（简称ATA）结构，产生的偶极镜面效应光电化学传感器可以用于甲胎蛋白特异性检测，利用的原理为PEC传感器的激励源和检测信号的分离，在空间域提高PEC传感器的性能，在空间上利用三明治结构，用于产生磁共振，增强光吸收；用ATA电极产生的偶极镜面效应，通过AuNPs和Au膜之间的磁共振显著增强光吸收和光电转换效率。
[0018]本专利技术的检测原理为：在制作的光电化学传感器达到最优指标的情况下，基于电化学工作站对光电流信号进行测量，该方法利用氙灯来提供产生光电流所需要的光源。一方面，光源首先用挡板挡住，等待电化学工作站的极化电位达到稳定状态，然后打开挡板用氙灯来照射电极，重复此过程对电极产生的光电流进行周期性检测。
[0019]本专利技术相对于现有技术所产生的有益效果为：本专利技术根据PEC传感器的物理机制，其光电流响应（由化学和生物分析物之间的相互作用确定）可在空间域中得到增强。为了增强空间域中的光
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物质相互作用，将AuNPs/TiO2/Au三明治纳米复合膜用作AFP分析的电极。在该结构中，最顶部的金属层包括大量贵金属纳米结构，可以产生强的LSPRs，中间的介质层可将电磁场限制在狭小的间隙中，诱导金属层之间的电磁耦合，而底部一层较厚的金属层作为一个不透明的镜子。
[0020]对可见光的吸收效率大幅度提高，主要得益于该结构中金属层与纳米粒子的等离子体耦合，即偶极镜面相互作用。由于ATA结构中的贵金属纳米颗粒的LSPR效应，AuNPs中的电子吸收光子能量激发热电子
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空穴对，热电子越过AuNPs与TiO2之间的肖特基势垒进入TiO2。接着电子转移到Au膜，由于FTO导电层的导带很低，电子会顺势进入FTO导电层，因此有效的阻碍了电子
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空穴对的复合，大幅度提升吸收效率。ATA结构由于AuNPs的存在会产生等离子体共振，由于Au膜的存在会产生偶极镜面效应，从而显著提升光活性材料对太阳能的吸收效率和光电转换效率。
[0021]所以，本专利技术采用了AuNPs/TiO2/Au三明治结构纳米复合膜，Au 薄膜和纳米颗粒
的等离子体耦合、偶极镜像作用弥补了TiO2自身缺陷，且大幅度提升了TiO2的光电性能，使制备的光电化学生物传感器具有良好的选择性、稳定性，制作简单、成本低、灵敏度高。对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于AuNPs
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TiO2‑
Au的光电化学生物传感器，其特征在于，包括FTO衬底；在FTO衬底的上表面设置有Au膜层，在Au膜层上表面设置有TiO2膜层；所述TiO2膜层上沉积有AuNPs层；所述 TiO2膜层的厚度为50
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110nm；在可见光照射下，利用局域表面等离子体共振产生热电子，所述热电子跳过在金属
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半导体界面形成的肖特基势垒，注入TiO2膜层，最后转移到Au膜层和FTO衬底。2.根据权利要求1所述的基于AuNPs
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TiO2‑
Au的光电化学生物传感器，其特征在于，所述 TiO2膜层的厚度为60
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80nm。3.根据权利要求1所述的基于AuNPs
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TiO2‑
Au的光电化学生物传感器，其特征在于，所述AuNPs层的厚度为5
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10nm。4.根据权利要求3所述的基于AuNPs
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TiO2‑
Au的光电化学生物传感器，其特征在于，所述AuNPs层为多个AuNPs纳米颗粒。5.根据权利要求1所述的基于AuNPs
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TiO2‑
Au的光电化学生物传感器，其特征在于，Au膜层的厚度为100
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120nm。6.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：菅傲群，李窦哲，赵彪，杨婷，李敏，赵冬，桑胜波，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：