基于p-n异质结CuO/TiO2复合物高效的载流子分离能力构建超灵敏AFP光电化学分析

doi:10.7503/cjcu20240183

摘要/Abstract

摘要：

将TiO₂纳米粒子与Cu(pta) MOFs复合, 通过高温煅烧策略制得CuO/TiO₂复合物. 在最优实验条件下, 基于复合物对可见光更强的吸收利用效率, CuO/TiO₂修饰的ITO电极展现出显著的光电化学（PEC）响应信号, 其光电流值(59.4 µA)分别是单组分TiO₂和CuO粒子的15.5和7.4倍. 线性扫描伏安法(LSV)测试结果证实 CuO/TiO₂/ITO电极比CuO和TiO₂材料具有更大的LSV响应强度. 这可归因于获得的薄片层状CuO粒子及其兼有的多孔隙特征促进了光的多重散射/反射效应, 同时CuO/TiO₂复合材料具有的典型p-n异质结构(能级带隙匹配)大幅促进了光生电荷载流子（e^-/h⁺）的分离与转移. 选用戊二醛(GA)作为交联手臂分子，通过温和的醛胺反应将壳聚糖(CS)和anti-AFP抗体组装于CuO/TiO₂/ITO电极表面, 再用牛血清蛋白（BSA）封闭活性位点, 构建出PEC传感平台（BSA/anti-AFP/GA-CS/CuO/TiO₂/ITO），实现了对不同浓度甲胎蛋白（AFP）的高灵敏检测（检出限达到2.63×10^-4 ng/mL）. 制备的传感电极同时展示出良好的稳定性和选择性.

关键词: 薄片层CuO粒子, CuO/TiO₂复合物, p-n异质结, 光电化学传感器, AFP检测

Abstract:

The p-n type composite materials are considered valuable materials to improve their photoelectrochemical（PEC） performance. In this paper， TiO₂ nanoparticles were composited with Cu（pta） MOFs， and the CuO/TiO₂ complex materials were prepared by the high-temperature calcination strategy. Under the optimal experimental conditions， based on the stronger absorption and utilization efficiency of visible light by the complexes， the CuO/TiO₂-modified ITO electrodes exhibited significant enhancement of the PEC response signal， with the photocurrent value（59.4 µA） 15.5 and 7.4 times higher than that of single-component TiO₂， and CuO particles， respectively. Linear scanning voltammetry（LSV） result confirmed that the CuO/TiO₂/ITO electrode had a greater LSV response intensity than the CuO and TiO₂ materials. It was attributed to the obtained lamellar layered CuO particles with porous features promoting the multiple scattering/reflection effect of light， while the typical p-n heterostructure （energy level band gap matching） of CuO/TiO₂ composites substantially facilitated the separation and transfer of photo-generated charge carriers（e^-/h⁺）. GA was chosen as the crosslinking arm molecule to assemble CS and anti-AFP on the surface of CuO/TiO₂/ITO electrodes through a simple aldolamine reaction， and then the active sites were closed with BSA， for which to construct a PEC sensing platform（BSA/anti-AFP/GA-CS/CuO/TiO₂/ITO） and had achieved the high sensitivity detection of different concentrations of α-fetoprotein AFP（the detection limit reached to 2.63×10^-4 ng/mL）. This prepared sensing electrode demonstrated both good stability and satisfactory selectivity.

Key words: Thin-layered CuO particles, CuO/TiO₂composite, p-n Heterojunction, Photoelectrochemical sensor, AFP detection

中图分类号:

O657

TrendMD:

郑德论, 张锐龙. 基于p-n异质结CuO/TiO₂复合物高效的载流子分离能力构建超灵敏AFP光电化学分析. 高等学校化学学报, 2024, 45(8): 20240183.

ZHENG Delun, ZHANG Ruilong. Construction of an Ultrasensitive AFP Photoelectrochemical Analysis Based on the Efficient Carrier Separation Capability of p-n Heterojunction CuO/TiO₂ Complexes. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(8): 20240183.

图/表 5

Fig.1 Schematic illustration of the preparation process of proposed PEC biosensors for AFP detection

Fig.2 Low(A, C) and high(B, D) magnification SEM images of Cu(tpa)(A, B) and CuO(C, D)

Fig.3 XRD patterns of TiO2 and CuO(A), UV⁃Vis spectra of TiO2, CuO and CuO/TiO2(B), PEC response of bare ITO(a), TiO2/ITO(b), CuO/ITO(c), CuO/TiO2/ITO(d) in 0.1 mol/L PBS(pH=7.4) containing 0.15 mmol/L AA(C), LSV curves in 0.1 mol/L Na2SO4 with a scan rate of 80 mV/s of the ITO, TiO2, CuO and CuO/TiO2 modified ITO electrodes(D)

Fig.4 PEC response of CuO/TiO2/ITO(a), CS/CuO/TiO2/ITO(b), GA⁃CS/CuO/TiO2/ITO(c) and anti⁃AFP/GA⁃CS/CuO/TiO2/ITO(d) in 0.1 mol/L PBS(pH=7.4 containing 0.15 mmol/L AA)(A), EIS of bare ITO(a), TiO2/ITO(b), CuO/ITO(c), CuO/TiO2/ITO(d), CS/CuO/TiO2/ITO(e), GA⁃CS/CuO/TiO2/ITO(f) and anti⁃AFP/GA⁃CS/CuO/TiO2/ITO(g) in 5 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4- containing 0.1 mol/L KCl(B), PEC response(C) and the corresponding calibration curve(D) of anti⁃AFP/GA⁃CS/CuO/TiO2/ITO sensor for the detection of different concentrations of target AFP Inset of (B) is the schematic of the equivalent circuit.

Fig.5 Time⁃based photocurrent response of anti⁃AFP/GA⁃CS/CuO/TiO2/ITO electrodes after reaction with 10 ng/mL AFP and with light on and off cycles(A), photocurrent responses of the as⁃prepared biosensor after different storage time in 0.1 mol/L PBS(pH=7.4)(B), and the selectivity of the PEC biosensors to the blank, 0.005 ng/mL CEA and PSA(C)

参考文献 32

1	Huang X.， Cui B.， Ma Y.， Yan X.， Xia L.， Zhou N.， Wang M.， He L.， Zhang Z.， Anal. Chim. Acta， 2019， 1078， 125—134
2	Li X.， Pan X.， Lu J.， Zhou Y.， Gong J.， Biosens. Bioelectron.， 2020， 158， 112158
3	Ren H.， Dittrich T.， Ma H.， Hart J. N.， Fengler S.， Chen S.， Li Y.， Wang Y.， Cao F.， Schieda M.， Ng Y. H.， Xie Z.， Bo X.， Koshy P.， Sheppard L. R.， Zhao C， Sorrell C. C.， Adv. Mater.， 2019， 31（8）， 1807204
4	Yu X.， Wang Y.， Chen X.， Wu K.， Chen D.， Ma M.， Huang Z.， Wu W， Li C.， Anal. Chem.， 2015， 87（8）， 4237—4244
5	Peng J.， Zheng Z.， Tan H.， Yang J.， Zheng D.， Song Y.， Lu F.， Chen Y.， Gao W.， Sens. Actuat. B： Chem.， 2022， 363， 131863
6	Wu F.， Yu Y.， Yang H.， German L. N.， Li Z.， Chen J.， Yang W.， Huang L.， Shi W.， Wang L， Wang X.， Adv. Mater.， 2017， 29（28）， 1701432
7	Kargar A.， Sun K.， Jing Y.， Choi C.， Jeong H.， Zhou Y.， Madsen K.， Naughton P.， Jin S.， Jung G. Y.， Wang D.， Nano Lett.， 2013， 13（7）， 3017—3022
8	Zhang Z.， Zhao C.， Lin S.， Li H.， Feng Y.， Gao X.， Fuel， 2021， 285， 119171
9	Jamal A. N.， Ziaur R.， Ali⁃Syed S. N.， Azam K， Ian S. B.， J. Mater. Chem. A， 2020， 8（40）， 20752—20780
10	Li C.， He J.， Xiao Y.， Li Y.， Delaunay J. J.， Energy Environ. Sci.， 2020， 13（10）， 3269—3306
11	Li F.， Zhou Y. L.， Wang S. Y.， Yin H. S.， Chen Y.， Luo H. Y.， Ai S. Y.， Biosens. Bioelectron.， 2020， 151， 111973
12	Lv S.， Zhang K.， Zhu L.， Tang D.， Anal. Chem.， 2020， 92（1）， 1470—1476
13	Han S.， Choi S. H.， Kim S. S.， Cho M.， Jang B.， Kim D. Y.， Yoon J.， Hyeon T.， Small， 2005， 1（8/9）， 812—816
14	Kment S.， Riboni F.， Pausova S.， Wang L.， Wang L.， Han H.， Hubicka Z.， Krysa J.， Schmuki P.， Zboril R.， Chem. Soc. Rev.， 2017， 46（12）， 3716—3769
15	Cots A.， Bonete P.， Gomez R.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（31）， 26348—26356
16	Zheng D.， Xie J.， Zheng S.， Chen M.， Chen Y.， Gao W.， Microchem. J.， 2023， 190， 108596
17	Kecsenovity E.， Endrodi B.， Toth P. S.， Zou Y.， Dryfe R. A. W.， Rajeshwar K， Janaky C.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139（19）， 6682—6692
18	Hu G.， Hu C. X.， Zhu Z. Y.， Zhang L.， Wang Q.， Zhang H. L.， ACS Sustainable Chem. Eng.， 2018， 6（7）， 8801—8808
19	Jiang C.， Moniz S. J. A.， Wang A.， Zhang T.， Tang J.， Chem. Soc. Rev.， 2017， 46（15）， 4645—4660
20	Wang S.， Guan B. Y.， Lu Y.， Lou X. W. D.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139（48）， 17305—17308
21	Peng Z.， Le Y.， Lou X. W. D.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2018， 57， 15076—15080
22	Singh A. P.， Kodan N.， Mehta B. R.， Held A.， Mayrhofer L.， Moseler M.， ACS Catal.， 2016， 6（8）， 5311—5318
23	Gao B.， Zhao X.， Liang Z.， Wu Z.， Wang W.， Han D.， Niu L.， Anal. Chem.， 2021， 93（2）， 820—827
24	Basnet P.， Anderson E.， Zhao Y.， ACS Appl. Nano Mater.， 2019， 2（4）， 2446—2455
25	Zou K.， Fu Y.， Yang R.， Zhang X.， Du C.， Chen J.， Anal. Chim. Acta， 2020， 1099， 75—84
26	Zheng D.， Chen M.， Peng J.， Chen J.， Chen T.， Chen Y.， Huang L.， Gao W.， Mikrochim. Acta， 2021， 188（10）， 328
27	Wang W.， Jin C.， Qi L.， Small， 2018， 14， 1801352
28	Wang H.， Liu X.， Wang S.， Li L.， Applied Catalysis B： Environmental， 2018， 222， 209—218
29	Dinh C. T.， Yen H.， Kleitz F.， Do T. O.， Angew. Chem.， 2014， 53（26）， 6618—6623
30	Pei L.， Yuan Y.， Bai W.， Li T.， Zhu H.， Ma Z.， Zhong J.， Yan S， Zou Z.， ACS Catal.， 2020， 10（24）， 15083—15091
31	Hwang Y. J.， Boukai A， Yang P. D.， Nano Lett.， 2009， 9（1）， 410—415
32	Wang X.， Wang Q.， Wang Q.， Gao F.， Gao F.， Yang Y.， Guo H.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2014， 6（14）， 11573—11580

[1]	刘家琪, 李天保. BiVO₄/CuBi₂O₄薄膜光电极的制备及光电性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(4): 20220017.
[2]	王俊瑾,张国英,孙亚秋,刘景旺. Ag₂CO₃/Bi₂O₂CO₃光催化剂的p-n异质结构筑及活性研究[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(12): 2590.
[3]	王茉, 李晓伟, 邵长路, 赵英倩, 辛佳玉, 韩朝翰, 李兴华, 刘益春. p-CuO/n-In₂O₃异质结纳米纤维的制备及气敏特性[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(9): 1524.
[4]	张雪, 刘建新, 王雅文, 樊彩梅, 段东红, 王韵芳. 异质结型AgBr/CuO光催化剂的合成、光催化活性及再生[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(1): 88.

基于p-n异质结CuO/TiO₂复合物高效的载流子分离能力构建超灵敏AFP光电化学分析

Construction of an Ultrasensitive AFP Photoelectrochemical Analysis Based on the Efficient Carrier Separation Capability of p-n Heterojunction CuO/TiO₂ Complexes

RichHTML

PDF (PC)

补充材料

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 5

参考文献 32

相关文章 4

编辑推荐

Metrics

本文评价