[发明专利]基于阳极光诱导的光燃料电池传感器及污染物分析方法

说明书

本发明涉及一种基于阳极光诱导的光燃料电池自供能传感器及环境污染物分析方法，传感器包括光阳极、阴极、光阳极燃料及阴极燃料，光阳极为Ti‑Fe‑O NTs/Ni(OH)₂电极，阴极为GCE/G/MIP电极，光阳极燃料为葡萄糖，阴极燃料为K₃[Fe(CN)₆]。与现有技术相比，本发明实现了供能与传感分离的检测模式，大大提高了自供能传感器的输出功率、稳定性、选择性，具有高灵敏度，对环境污染物ATZ等的检测限低至2.81pM。同时，制备的方法简单，成本低廉，分析方法简单便捷，并且具有良好的重现性和具有能够用于现场测定的应用前景。

技术领域

本发明属于环境监测、自供能技术和光电化学技术领域，涉及一种基于阳极光诱导的光燃料电池自供能传感器及采用该传感器对环境污染物进行选择性分析的方法。

背景技术

环境污染问题是全世界范围普遍关注的社会热点问题。目前已知多种环境污染物在极低的暴露浓度下，就有可能对人体或其他生物体造成严重危害。以农药类内分泌干扰物阿特拉津(C₈H₁₄ClN₅，ATZ)为例。ATZ是世界上使用最广泛、最有效的除草剂之一。目前，在各种农产品和环境介质中检测都能检测到ATZ，尤其是在土壤、地下水和饮用水中。研究表明，长期接触阿特拉津会增加女性患乳腺癌的风险，并会干扰雌激素的正常功能。即使是接触低浓度的阿特拉津也会对人类和动物构成巨大威胁。欧盟(EU)规定，环境和饮用水阿特拉津的最低标准为0.1μg/L。由于ATZ等环境污染物的普遍存在性和高毒性，迫切需要开发一种针对环境污染物的快速、高度灵敏、高度选择性、成本低廉、构筑简单，且能够现场测量的检测方法。

目前，各种污染物的常见检测方法有高效液相色谱(HPLC)、高效液相色谱质谱(HPLC-MS)、气相色谱-质谱法(GC-MS)、酶联免疫吸附测定(ELISA)、毛细管电泳(CE)、表面增强拉曼光谱(SERS)等。这些方法虽然具有较高的灵敏度，但是它通常需要复杂的预处理、昂贵的设备、熟练的技术人员和冗长的分析时间。光电化学分析方法，具有高灵敏度、良好稳定性、响应时间短、易于小型化等特点，在环境污染物的检测中发挥重要作用，特别是对于非电化学活性物质的检测具有明显的优势。但是，由于光电化学分析方法中，催化活性物质主要是具有较高氧化能力的羟基(·OH)，会对许多物质进行无选择性的氧化，检测的选择性受到很大限制，不够理想。同时，光电化学分析方法强烈依赖外加电源提供能量的输入，很大程度上阻碍了其在现场测定中的应用。

自供能传感技术具有摆脱外加电源限制、自身产生电信号提供能量、结构简单、小型化、易于实现现场测定等优点。自2001年Willner和Katz首次报道了基于酶生物燃料电池的自供能传感器实现对化学物质和生物分子的测定后，相继涌现出多种基于酶生物燃料电池的自供能生物传感器的设计。然而，酶的成本高、输出功率低，并且酶在使用过程中存在不稳定性和耐持久性差的缺点。基于光燃料电池的自供能传感器具有低成本、不需要生物催化剂、高输出功率和稳定性高等优势。目前，在大多数已经报道的工作中，研究人员致力于通过将光催化剂粉末(例如TiO₂、氮掺杂石墨烯-BiOBr、CdS-TiO₂等)负载到氧化铟锡(ITO)或氟掺杂氧化锡(FTO)上来构建光阳极的基底。由于这些电极的制备中有许多修饰步骤，因此它们的稳定性和再现性容易受到影响。另外，阳极是产生电子提供动力的重要来源端，许多研究工作者将阳极端负载分子印迹、适配体、酶等识别元素，导致出现了输出功率下降、检测信号变化不明显的缺点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种输出功率高、选择性识别能力强，可应用于现场检测的基于阳极光诱导的光燃料电池自供能传感器及采用该传感器对环境污染物阿特拉津等实现选择性分析的方法，该分析方法具有分析快速、操作简单且具有良好稳定性和重现性等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：