第37卷第4期
2018年4月分析测试学报
FENXI CESHI XUEBAO(Journal of Instrumental Analysis)Vol. 37 No. 4
496-506
^
櫏^
櫏櫏櫏殽
doi:
10.
3969/j.
issn.
1004 -
4957. 2
018.
04.
019
综述
光电化学传感器的研究进展
钟立，魏小平* ，冯莎莎，李建平*
(广西电磁化学功能物质重点实验室，广西高校食品安全与检测重点实验室，桂林理工大学
化学与生物工程学院，广西桂林541004)
摘要：光电化学传感器以光作为激发源，以光电流或光电压作为检测信号，具有响应快速、灵敏度高、设
备简单等特点，目前已在环境、食品、医学等多个领域的分析测试中得到广泛应用。该文阐述了光电转换材
料与光电化学传感器的制备方法，介绍了光电化学传感器的原理和分类。光电化学传感器包含光寻址电位型
传感器和电流型光电化学传感器，其中，电流型光电化学传感器由于优良的光电性能、检出限低、所需材料
低廉且易加工等优势而被广泛应用。文中着重介绍了电流型光电化学传感器在金属离子、有机污染物、核
酸、蛋白质、细胞等方面的应用，并对光电化学传感器的发展前景进行了展望。
关键词：光电化学；传感器；光电材料；应用；研究进展
中图分类号：O657. 1;
G353. 11 文献标识码：A 文章编号：1004 -4957(2018)04 -0496 - 11
Research
Progress
of
Photoelectrochemical
Sensor
ZHONGLi，
WEIXiao-
ping*，
FENGSha-sha，
LIJian-
ping*
(Guangi
Key
Laboratory
of
Electrochemical
and
Magnetochemical
Function
Materials，
Guangxi
Colleges
and
Universities
Key
Laboratory 〇
f
Food
Safety
and
Detection，College
of
Chemistry
and
Bioengineering，
Guilin
Univerity
of
Technology，Guilin 541004，
China)
Abstract:
The
photoelectrochemical
sensors，
with
light
as
excitation
source
and
photocurrent
or
tovoltage
as
detection
signal，
have
been
widely
used
in
the
analysis
of
environment，
food，
medicine
and
other
fields
for
their
characteristics
of
fast
response，
high
sensitivity
and
simple
equipment.
preparation，
principles
and
classification
of
photoelectrochemical
sensors
are
introduced.
They
in
clude
light
addressing
potentiometric
sensors
and
amperometric
photoelectrochemical
sensors，
in
which
amperometric
photoelectrochemical
sensors
are
widely
used
due
to
their
excellent
photoelectric
performance，
low
detection
limit，
low
cost
and
easy
processing.
Their
application
metal
ions，
organic
pollutants，
nucleic
acids，
proteins
and
cells
are
described
in
this
manuscript.
The
development
prospect
for
photoelectrochemical
sensors
is
also
expected.
Key
words ：
photoelectrochemical;
sensor；
photoelectric
material;
application ；
research
progress
1光电化学传感器简介
光电化学传感器是将光电技术与传感器相结合而发展起来的一种进行光电分析的新型传感器。利
用光激发光电材料表面的活性物质产生光电流或光电压，依据光电流或光电压的变化与待测物质的浓
度关系进行检测[1-2]。光电化学传感器具有装置简便、操作方便、检出限低、灵敏度高、背景值低等
优点[3-4]，其灵敏度可与毛细管电泳、电化学发光、荧光光谱相媲美[^6]，受到广大科研人员的青睐。
在当今光电子时代大背景下，随着新材料技术的进步，光电材料的重要性日益凸显，为光电化学传感
器注入了新的力量。它的特殊性质（如比表面积大、活性好、独特的物理性质等）使其对温度、光强、
湿度等环境因素非常敏感。当外界环境发生改变时，光电材料表面或界面的电子传递会发生改变，并
收稿日期：2017 -11 -06;修回日期：2018-01-22
基金项目：广西自然科学基金创新研究团队项目（2015GXNSFFA139005);广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划项目（桂教
人（[2014] )49号）；广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心资助项目
*通讯作者：魏小平，高级工程师，研究方向：应用电化学与传感器，E-mail: xpwei@glut.edu. c
李建平，博士，教授，研究方向：电化学传感器，E-mail: likiapi#263. n
et第4期钟立等：光电化学传感器的研究进展497
对电阻值产生影响，根据这一特点制备的光电化学传感器具有良好的发展前景[7]。
2光电材料的分类与制备
2. 1光电材料的分类
光电材料又称光电转换材料，是通过光伏效应将辐射能直接转换成电能的一类材料。光电化学传
感器采用具有光电活性的光电材料作为敏感膜。常见的光电材料可分为以下3类[8]: (
1)无机光电材
料—是由无机化合物构成的半导体发光材料，这些无机化合物的阳离子大部分是元素周期表中的第
V周期元素，比如
Si[
9]、
Ti02[
1。]、
ZnO[
11]、
GaN[
12-
13]等。（
2)有机光电材料一是一类具有光电
活性的有机材料，它们通常是具有大^共轭体系，富含碳、氮、硫等杂原子的芳香性有机分子，分为
小分子和聚合物两类。由有机化合物构成的半导体光电材料，具有光电响应快且易加工等特性，有望
在分子尺寸实现对电子运动的控制。常见的有机小分子光电材料包括酞菁及其衍生物[14_15]、卟啉及其
衍生物[
1]、聚苯胺[
17]等。（3)复合型光电材料一主要是无机光电材料与有机光电材料的复合、无机
光电材料之间的复合。通常情况下会利用无机光电材料之间的相互复合或者无机材料与有机材料之间
的相互复合来构建光电化学传感器。两种不同材料之间会形成异质结，异质结常具有两种半导体各自
均不能达到的优良光电特性，从而有效提高了光生电荷的分离，降低了光生空穴与光生电子的复合几
率，增加了整个光谱的响应范围，同时也增大了半导体材料的比表面积，从而很大程度上改善了整个
材料的光电化学性能，拓宽了半导体材料在光电化学领域的应用范畴。研究较多的是
T〇
2掺杂，如
CdS-
TKO™、
ZnO-
TKV19]等。后来，研究者利用金纳米粒子或者碳纳米结构的导电性，发展了基
于金纳米粒子或者碳纳米结构-半导体复合物以提高半导体光生电子的捕获和传输能力，比如碳纳米
管/
CdS、碳纳米管/
CdSe、富勒
P/
CdSe、卟啉/富勒
P/金纳米粒子、
CdS/金纳米粒子等体系，皆具有
较高的光电转换效率。
2.2光电材料的制备方法
光电材料是光电化学传感器的重要组成部分。为扩宽光电材料在光电化学传感器领域的应用范围，
需根据不同需求采用不同合成方法。常见光电材料的制备方法有激光加热蒸发法、化学气相沉积、超
声空化法、电化学沉积法、水热合成法、球磨法、连续离子层吸附法、沉淀法等。
2.2.1激光加热蒸发法激光加热蒸发法以大功率激光束为快速加热源，使气相反应物分子内部快
速地吸收和传递能量，在瞬间完成气相反应的成核、生长以及终止。该方法可迅速使反应物结晶，生
成粒径小（<50
nm)且粒度均勻可控的纳米微粒。
Bjelajac等™采用激光加热蒸发法在
Ti〇
2纳米管上
修饰
CdS量子点，修饰的
CdS量子点的量取决于激光脉冲幅度和激光能量密度，用此方法制备的
CdS
-
Ti〇2纳米管光电材料在检测中获得的电流密度高达0.042
mA/
cm2,具有良好的光电转换性能。由于
激光束能量高度集中，周围环境温度梯度大，有利于纳米粒子的快速凝聚，因此可制得粒径小且分布
的高 质纳 。
2. 2. 2化学气相沉积化学气相沉积技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相单质或化合物
在基质表面上进行化学反应生成薄膜的方法，是近几十年发展的制备无机光电材料的新技术，已广泛
用于提纯物质、沉积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这些材料可以是硫化物、氮化物、氧化
物等，而且它们的物理性能可通过气相掺杂的沉积过程来精确控制。
Ameen等[
21]采用热丝化学气相法
(Hot
filament
chemical
vapor
deposition，
HFCVD)将石墨
P电沉积到惨杂氣的
Sn0
2透明导电玻璃上，再
在其表面修饰一层
ZnO薄膜形成光电阳极，实验检测该材料具有较高的光电转换效率(2. 5% )。
2.2.3超声空化法超声空化法利用的是超声空化效应，是指液体中的微小气泡在超声波作用下发
生振荡、膨胀、收缩及内爆等一系列动力学过程，而微小气泡爆炸的瞬间气泡内能量快速释放，导致
发光、高温、高压、放电及微射流等极端物理现象。这些极端条件极大地促进了非均相界面间扰动和
相界面更新，进而改善界面间传质速率，促进了新相的生成，从而加速界面间传质[22]。还原氧化石墨
P通过化学方法将氧化石墨烯还原，目的是将氧化石墨烯上附带的氧化基团彻底除去，使其具有更稳
定的结构，保证制得的产物不会因过于活泼而发生化学反应变质[]。
Luo等[2]通过在含有氧化石墨
烯、
Zn(
CH3C00)、二甲基亚砜和
H0
的溶液中进行简单的超声处理来制备还原的氧化石墨烯-层状