基于QDsSAMAu的光电化学传感器的示意图
量子点(半导体纳米颗粒)具有高荧光量子效率, 良好的抗光漂白能力, 尺寸可控的光谱特性等优异的光学性质. 因此, 基于化学发光、荧光共振能量转移、电致发光等传感原理, 量子点被制成各种光学传感器,广泛地用于各种生化量的测量.除了特殊的光学特性, 量子点还具有特殊的电子和量子性质: 随着尺寸的减小, 量子点的能带更宽(价带更负、导带更正), 因此量子点导带电子的还原能力和价带空穴的氧化能力相比本体材料更强; 高表面体积比使得量子点表面的电子活性很高; 量子点具有量子隧穿的能力.
近期一些研究人员发现, 在光照下, 通过电子隧穿过程, 量子点与金属电极之间存在电子交换的现象. 基于以上的性质, 很多小组尝试将量子点自组装在金电极上(量子点/自组装层/金电极结构, 简称QDs/SAM/Au)构成一种新型的光电化学传感器用于生化量的测量. 相比光学传感器, 光电化学传感器具有结构简单、操作方便、响应速度快等优势.
因此基于QDs/SAM/Au结构, 将量子点进行各种生物修饰后, 可制成不同的光电化学型生化传感器,拓展了量子点传感测量的范围.随着应用增多, 有小组尝试提出理论与数学模型来解释实验现象, 从而改进传感系统. 但各小组的实验结果并不完全相同, 因此得到的模型也有所差别.
模型研究的不成熟阻碍了器件的进一步发展. 为了深入理解量子点与金电极之间的光生电子交换过程, 更好地改进并应用该现象进行生化传感检测, 南开大学电子系岳钊等人对光照下CdS量子点与金电极之间的光生电子交换过程进行了系统研究. 首先, 对基于电子隧穿的多个光生电子转移过程进行了理论分析, 并进行了数学模型推导. 其次, 利用推导的数学模型在不同参数的条件下进行了仿真研究. 最后, 测量了CdS量子点修饰的金电极在不同偏置电压、不同光强和不同氧化物及还原物浓度的条件下产生的光电流, 并将实验、理论及仿真结果三者相结合进行了分析讨论. 实验结果与仿真结果都证明了理论模型的正确性.