光电化学(PEC)过程即光电活性物质因吸收光使电子处于激发态而产生的电荷转移过程。近年来,纳米技术和材料科学的进步拓宽了 PEC技术的应用范围,其中,由于纳米材料和生物分子具有相近的尺度,可以有效地进行相互作用,PEC生物传感器得到了人们越来越多的关注。它继承了传统电化学生物传感器在响应速度、灵敏度和价格等方面的优势,又由于激发和检测信号属于不同的能量形式,在目标识别和信号传导策略等方面发展出一系列有特色的传感模式。尤其是在复杂疾病多发、日益威胁人类健康的今天,PEC生物传感在针对核酸、蛋白和小分子等疾病标志物的检测中提出了一系列高灵敏度的检测方法。然而,由于该技术发展时间较短,目前并未达到实际临床诊断和实时现场诊疗的要求,因此,提出新型PEC疾病标志物的检测模式,提高其在临床诊断中的准确性和实用性是很有必要的。围绕这一目标,本论文开展了以下四方面的工作:1.基于酶放大的光电化学双组份免疫传感器疾病的诊断通常需要依据多种标志物的含量变化进行综合判断,而目前大多数PEC生物传感器都以单一物质为目标物进行检测,这将大大限制PEC技术在临床中的应用前景。基于此,本章报道了一种基于碱性磷酸酶(ALP)和乙酰胆碱酯酶(AChE)放大的光电化学双组份免疫传感器。在具有高光电活性的CdS量子点/TiO2纳米管(CdS QDs/TiO2 NTs)复合电极表面,利用酰胺键反应,构建了可以特异性识别心肌肌钙蛋白I(cTnI)和C反应蛋白(CRP)的三明治免疫复合物,并利用生物素和亲和素的特异性结合作用,在两种待测物的二抗上分别修饰ALP和AChE。碱性磷酸酶可以原位催化2-磷酸抗坏血酸酯(AAP)水解产生抗坏血酸(AA),乙酰胆碱酯酶可以原位催化乙酰胆碱(ATC)产生硫代胆碱(TC),两种酶促反应的产物作为优良的电子供体,可以使体系光电流明显增加。该传感器实现了针对心肌疾病标志物的PEC双组分检测,具有高灵敏度和高特异性,为PEC多组分生物检测提供了新的思路。2.基于生物催化沉淀反应的光电化学及可视化复合型免疫传感器本章将ALP作为生物催化沉淀(BCP)反应元件应用于PEC生物传感领域,开发了一种基于酶放大的光电化学及可视化复合型免疫传感器。在具有高光电活性的CdS QDs/氧化铟锡(CdS QDs/ITO)电极表面,利用酰胺键反应,构建了可以特异性识别β-人绒毛膜促性腺激素(β-HCG)的三明治免疫复合物,并利用生物素和亲和素的特异性结合作用,在待测物的第二抗体上修饰ALP。在一定条件下,ALP可以催化氧化5-溴-4-氯-3-吲哚磷酸(BCIP)形成靛蓝沉淀,并沉积在电极表面,阻碍界面电子传递从而降低体系的光电流。同时,由于形成的沉淀具有颜色,可以同时输出可视化信号作为PEC信号的直观印证和补充,构建了一种PEC-可视化复合型免疫传感器,实现了对β-人绒毛膜促性腺激素(β-HCG)的特异性检测。3.基于纳米孔道的复合型光电化学生物传感器近年来,纳米孔和纳米通道因其有序的结构和独特的性质,在电子、能源、光学和材料等领域得到了广泛的应用,在此基础上,我们将具有垂直有序孔道结构的阳极氧化铝(AAO)模板、具有高光电活性的CuxO NPIs光阴极和ALP催化的BCP反应进行集成,提出了一种新型的基于纳米孔道的PEC生物传感模式,实现了人血清样品中ALP的检测。该工作的亮点在于,AAO模板同时作为生物分子的载体、生化反应容器和沉淀收集器的三合一场所,提高了检测灵敏度;同时由于沉淀具有颜色,AAO模板还可以起到稳定显色的作用。该工作对上一章中所报道的PEC-可视化复合型免疫传感器做了合理改进,同时为后续新型多功能异质纳米结构的开发及合理应用提供了新的思路。4.基于DNA链取代循环放大反应及能量转移作用的光电化学miRNA传感器近年来,在人体循环系统中高度稳定存在的miRNA作为一种新型标志物,在癌症早期诊断中展现出了巨大的潜力,引起了人们的广泛关注。然而,由于其浓度低、序列间相似度高,且体液中存在大量的干扰物质,这都对全血中miRNA的准确检测造成了不小的难度。本章设计了一种针对全血样品中miRNA-141的PEC检测方法,可以对前列腺癌的诊断提供参考依据。我们在磁珠(MB)表面进行DNA修饰,在目标物的存在下引发熵增加的链取代循环放大反应(ETSD),该反应与磁珠的分离效应相结合,可以准确提取目标物,除去干扰物质,同时对目标物进行放大,并将其数量转换为可以收集到的Au NPs的含量,最后利用Pdots和Au NPs之间的能量转移作用对PEC信号的影响,进一步提高检测的灵敏度,达到了与前列腺癌病人血液中miRNA-141含量相匹配的检测限。这一工作为复杂样品基质中生物分子的准确检测提供了解决方案,并在未来的临床应用具有良好前景。