[發明專利]基于陽極光誘導的光燃料電池傳感器及污染物分析方法

有效

• 申請號: 202010131909.6
• 申請日: 2020-02-29
• 公開（公告）號: CN111337563B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 劉梅川;陸漢星;孫歡歡;趙國華
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01N27/48
• 分類號: G01N27/48;G01N27/327;G01N27/38;G01N27/32;G01N27/30
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 吳文濱

本發明涉及一種基于陽極光誘導的光燃料電池自供能傳感器及環境污染物分析方法，傳感器包括光陽極、陰極、光陽極燃料及陰極燃料，光陽極為Ti?Fe?O NTs/Ni(OH)₂電極，陰極為GCE/G/MIP電極，光陽極燃料為葡萄糖，陰極燃料為K₃[Fe(CN)₆]。與現有技術相比，本發明實現了供能與傳感分離的檢測模式，大大提高了自供能傳感器的輸出功率、穩定性、選擇性，具有高靈敏度，對環境污染物ATZ等的檢測限低至2.81pM。同時，制備的方法簡單，成本低廉，分析方法簡單便捷，并且具有良好的重現性和具有能夠用于現場測定的應用前景。

技術領域

本發明屬于環境監測、自供能技術和光電化學技術領域，涉及一種基于陽極光誘導的光燃料電池自供能傳感器及采用該傳感器對環境污染物進行選擇性分析的方法。

背景技術

環境污染問題是全世界范圍普遍關注的社會熱點問題。目前已知多種環境污染物在極低的暴露濃度下，就有可能對人體或其他生物體造成嚴重危害。以農藥類內分泌干擾物阿特拉津(C₈H₁₄ClN₅，ATZ)為例。ATZ是世界上使用最廣泛、最有效的除草劑之一。目前，在各種農產品和環境介質中檢測都能檢測到ATZ，尤其是在土壤、地下水和飲用水中。研究表明，長期接觸阿特拉津會增加女性患乳腺癌的風險，并會干擾雌激素的正常功能。即使是接觸低濃度的阿特拉津也會對人類和動物構成巨大威脅。歐盟(EU)規定，環境和飲用水阿特拉津的最低標準為0.1μg/L。由于ATZ等環境污染物的普遍存在性和高毒性，迫切需要開發一種針對環境污染物的快速、高度靈敏、高度選擇性、成本低廉、構筑簡單，且能夠現場測量的檢測方法。

目前，各種污染物的常見檢測方法有高效液相色譜(HPLC)、高效液相色譜質譜(HPLC-MS)、氣相色譜-質譜法(GC-MS)、酶聯免疫吸附測定(ELISA)、毛細管電泳(CE)、表面增強拉曼光譜(SERS)等。這些方法雖然具有較高的靈敏度，但是它通常需要復雜的預處理、昂貴的設備、熟練的技術人員和冗長的分析時間。光電化學分析方法，具有高靈敏度、良好穩定性、響應時間短、易于小型化等特點，在環境污染物的檢測中發揮重要作用，特別是對于非電化學活性物質的檢測具有明顯的優勢。但是，由于光電化學分析方法中，催化活性物質主要是具有較高氧化能力的羥基(·OH)，會對許多物質進行無選擇性的氧化，檢測的選擇性受到很大限制，不夠理想。同時，光電化學分析方法強烈依賴外加電源提供能量的輸入，很大程度上阻礙了其在現場測定中的應用。

自供能傳感技術具有擺脫外加電源限制、自身產生電信號提供能量、結構簡單、小型化、易于實現現場測定等優點。自2001年Willner和Katz首次報道了基于酶生物燃料電池的自供能傳感器實現對化學物質和生物分子的測定后，相繼涌現出多種基于酶生物燃料電池的自供能生物傳感器的設計。然而，酶的成本高、輸出功率低，并且酶在使用過程中存在不穩定性和耐持久性差的缺點。基于光燃料電池的自供能傳感器具有低成本、不需要生物催化劑、高輸出功率和穩定性高等優勢。目前，在大多數已經報道的工作中，研究人員致力于通過將光催化劑粉末(例如TiO₂、氮摻雜石墨烯-BiOBr、CdS-TiO₂等)負載到氧化銦錫(ITO)或氟摻雜氧化錫(FTO)上來構建光陽極的基底。由于這些電極的制備中有許多修飾步驟，因此它們的穩定性和再現性容易受到影響。另外，陽極是產生電子提供動力的重要來源端，許多研究工作者將陽極端負載分子印跡、適配體、酶等識別元素，導致出現了輸出功率下降、檢測信號變化不明顯的缺點。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種輸出功率高、選擇性識別能力強，可應用于現場檢測的基于陽極光誘導的光燃料電池自供能傳感器及采用該傳感器對環境污染物阿特拉津等實現選擇性分析的方法，該分析方法具有分析快速、操作簡單且具有良好穩定性和重現性等優點。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：