随着人们物质水平的提高和生活方式的改变,一些疾病越来越趋于年轻化,而早期筛查对疾病的诊断与治疗至关重要。随着纳米技术的快速发展,电化学传感器被不断应用于该领域的检测。电化学生物传感器具有快速、灵敏、简便等传感优势,特别是在此基础上发展的光电化学生物传感器,进一步实现检测信号与激发信号的能量转换,在疾病诊断方面具有广泛的应用潜力。近年来,多种新型纳米材料被设计开发以提升传感器的性能。纳米氧化锌（zinc oxide,ZnO）材料因其高载流子浓度、高迁移率的物理特性,具备光电转化的独特物理优势,并且它具有高等电点、良好生物相容性,在光电化学及相关生物传感器领域具有重要的应用优势和研究价值。尽管纳米ZnO具有众多的优异性能,但是ZnO的光吸收以紫外区为主且自身容易发生电子与空穴的复合,这严重限制了其在生物传感中的应用。近年来,研究者们围绕如何提高ZnO的光电响应以及如何实现高效传感等方向开展了大量的工作。主要是解决两大问题:（I）如何提高ZnO半导体的电子-空穴分离效率;（II）如何拓宽ZnO半导体的光吸收范围。基于此,本论文制备三维结构的纳米ZnO,引入具有表面等离子体效应的金属及半导体构建异质结,增强氧化锌的光电流响应,提高光电化学传感器的灵敏度,实现了多巴胺、谷胱甘肽、大肠杆菌、心肌肌钙蛋白I的灵敏检测。具体研究内容如下:1.基于纳米金修饰氧化锌纳米棒阵列的光电化学传感器检测谷胱甘肽。已有研究工作得出了金与氧化锌复合会提高光电流响应的结论,但其中的耦合增强机制,一直不是很清晰。本课题组研究发现,氧化锌复合金后,金的表面等离子共振效应会增强氧化锌的本征发光。受此启发,本工作将金与氧化锌复合后的电极接入外电路,得到了光电流明显增强的结果。这可能是受激发的金的表面等离子体转至氧化锌的导带,形成了电路电流。本工作通过325 nm、532 nm这两束单色光作为光源来设计实验,验证电荷转移过程。并且通过电磁场模拟来分析液固界面的光场分布,进一步提出了金修饰氧化锌光电检测谷胱甘肽的物理模型。随后,完成了谷胱甘肽的快速传感检测。2.基于硫化镉量子点/纳米金/氧化锌纳米线阵列的光电化学适配体传感器检测大肠杆菌。在上一个工作中,我们从理论和实验中验证了金属等离子体的引入可以提高氧化锌的光电流响应。此外,通过拓宽氧化锌的光吸收,也可以提高光电流响应。氧化锌的光吸收主要在紫外波段,引入窄带隙的半导体可以获得从紫外到可见的宽光谱响应。硫化镉是一种典型的窄带隙半导体,也有工作报道过利用氧化锌与硫化镉复合来提高光电流响应。但是,硫化镉具有一定的生物毒性。因此,我们将硫化镉量子点与适配体复合,随后修饰在氧化锌与金构建的光电界面,增强光电流响应的同时,也保持了适配体活性。在大肠杆菌的检测中发现,与未修饰硫化镉的适配体传感相比,传感灵敏度提高了1.7倍。该策略也适用于其他适配体传感器的构建,在生物分析领域具有广阔的前景。3.基于氧化镍/纳米金/氧化锌纳米线阵列和生物催化沉淀扩增的光电化学免疫检测心肌肌钙蛋白I。在光电化学免疫传感器的构建中,首要关注的同样是光电界面的构建。在这个工作中,引入氧化镍与氧化锌形成p-n型异质结来增强光电流响应。虽然多种化学方法已成功用于该异质结的构建,但是界面不是很均匀。本工作中,通过物理沉积的方法,包括等离子体溅射、磁控溅射,获得了高均一性的同轴异质结。除了通过光电界面的构建,来影响光电流的产生,还可以通过引入HRP-诱导的生物催化沉淀,形成空间位阻,来阻碍电子转移,实现信号放大。制备的光电化学免疫传感器不仅具有高灵敏、高特异性,而且还表现出良好的可重复性和稳定性。由于抗原及其抗体之间的特异性识别机制是普遍的,因此所提出的光电化学免疫器可用于检测各种重要的生物标志物。4.基于ZIF-8@还原型氧化石墨烯（r GO）的电化学传感器检测多巴胺。电化学方法在检测多巴胺等生物小分子方面,仍然具有独特的优势。随着敏感材料的快速发展,推动着传感器性能的不断提升。近年来,ZIF-8因其优异的结构特性,在电化学传感领域受到了广泛关注。与此同时,人们一直尝试采用快速、低能耗的方式来获得ZIF-8。而本工作利用Zn-HDS本身的离子互换特性,巧妙地将它转换成ZIF-8。随后,引入三维结构的r GO与ZIF-8复合,制备电化学传感器,实现了多巴胺电化学氧化过程的解析与灵敏检测。