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生物光电技术范文1
设施蔬菜秸秆生物反应堆技术是一种生物质能源综合利用技术，利用农作物秸秆在特定菌种的作用下发酵分解，产生CO2气体、低分子有机质、无机盐养分和热量等，并被作物利用。秸秆生物反应堆技术分为内置式、外置式和结合式3种。辽宁省海城地区采用内置式秸秆生物反应堆技术用于温室大棚蔬菜种植。
设施蔬菜秸秆反应堆技术是近年来在辽宁地区推广的一项农业实用技术，该技术有利于提高温室内土壤和空气温度，提高土壤肥料含量，提高作物免疫力，改善温室内微生物平衡，从而增加蔬菜作物的产量，起到增产增收的目的。该技术于2003年左右已开始在我国农技系统进行推广，近几年来已在全国取得较好的成果，海城地区引进此技术则相对较晚。海城市农业技术推广中心于2009年正式将内置式秸秆生物反应堆技术引入本地区并展开示范推广工作，截至2010年底，已在全市累计推广棚室面积超过200hm2，建立典型示范区面积超过13hm2。示范区中，以覆盖塑料薄膜的日光温室为主，作物以番茄、辣椒、茄子和黄瓜为主。
虽然生物秸秆反应堆技术已处于成熟期，在全国也取得了较为理想的成果，但相对于传统种植技术而言，其仍然属于一个全新的概念。在项目推广过程中我们遇到了一些困难，这些困难严重影响了秸秆生物反应堆技术的推广进程和效益体现。在此，笔者将遇到的困难归纳总结成以下三点，以期对广大农技推广人员的工作有所助益。
问题总结
广大农户对采用新技术的积极性差
海城地区是一个传统型农业种植区，受传统观念和农业技术普及程度影响，本地区农户在看到切实利益之前对新技术多持怀疑和观望态度。针对这点，一年以来，海城市农业技术推广中心通过举办培训班、科普大集、开现场会等方式宣传介绍秸秆生物反应堆技术的优势和使用方法，以期调动农户采用新技术的积极性。可还是有很多农户对新技术持观望、甚至怀疑的态度，认为要在地下埋放秸秆费工、费时，在提高成本的同时担心不能提高收益，迟迟不肯接受新事物。
而事实证明了秸秆生物反应堆技术的优越性。2010年辽宁地区普遍遭遇严重的洪涝灾害，许多农户的棚室内积水严重，形成渍涝。在使用了秸秆生物反应堆的温室中，由于内置式秸秆生物反应堆技术在操作挖沟埋放秸秆回填土壤时会形成一个20cm高的垄台，在垄台上定植的幼苗不但根系会扎根在秸秆之上，不受渍涝影响，有利于定植幼苗的缓苗，而且在一定程度上起到了降低棚室内湿度的作用。与此形成对比的是，没有使用秸秆生物反应堆的农户很多都没能按时定植，有的勉强定植但幼苗在定植后由于土壤积水较大，幼苗根系直接浸泡在水中导致幼苗缓苗不好，幼苗沤根严重造成死苗。(图1使用，图2未使用)
不能严格按照技术要求使用新技术
在走访中笔者发现，有的农户虽然使用了秸秆生物反应堆技术，但在植株定植后，通过对同时期定植的植株生长情况进行对比发现，效果并不明显，甚至有个别案例不如传统种植方法的效果好，使农户将不满迁怒于新技术，从而对秸秆生物反应堆技术的推广工作产生了负面影响。经过仔细询问和大量实地勘察案例得知，原来这些农户都没有严格按照技术要求使用新技术，甚至有些农户根本没有按照技术要求进行操作。各种错误操作可谓五花八门，造成的结果只有一个，就是不能发挥新技术的优势，甚至造成损失。以下是几种较为普遍的错误操作案例。
(1)有的农户在埋放好秸秆后并没有按照操作规程大量灌水来启动反应堆。缺少水分不能使全部处于休眠状态的菌种复苏，致使发酵效率低。这种情况会造成菌种产气量低；不能将土壤温度提高到理想数值不能及时消耗掉作为原料的作物秸秆，致使秸秆在其他微生物的作用下发生腐败，生成有害物质等现象。
(2)有的农户在灌大水启动反应堆之后没有按照要求在种植垄的两侧用钢钎打孔，使反应堆内部的CO2，不能充分释放。这样操作不但起不到提高棚室内CO2，浓度的作用，反而使大量的CO2，聚集在植株根部，对根部造成损害，不利于植栋生长。
(3)还有的农户在选用玉米秸秆过程中和埋放秸秆后施肥的过程中没有按照技术要求对秸秆和未腐熟的肥料当中残存的害虫进行杀虫消毒处理，导致后期害虫在适宜温度下滋生，从而引发虫害。
尚不能因地、适时灵活地使用秸秆生物反应堆技术
笔者发现，有一部分农户虽然在使用秸秆生物反应堆技术后获得了良好的效果，却对新技术产生了盲目崇拜的现象。为了进一步提高作物产量，盲目增加秸秆和菌种用量，导致产量反而下降。海城市农业技术推广中心的推广示范区以早春的春棚黄瓜种植为主。早春季节气温逐步回升，而过量使用生物反应堆技术造成温室内气温和土壤温度过高，菌种产气率降低，加之高湿条件，使作物发生较严重的徒长现象。夜间过多的菌种和秸秆消耗温室内O2，产生过量CO2气体，影响作物呼吸作用，使日间作物光合作用能量不足，导致光合作用效率低下。过量使用生物反应堆技术的温室种植的黄瓜植株抵抗力弱，果实产量低且颜色浅，严重影响其商品性。
方法与建议
针对以上三点问题，笔者认为其核心问题在于，新技术推广过程中如何调动农户积极性，如何让农户能够严格按照操作手册作业，如何根据当地实际情况改进技术。
对于如何调动农户积极性的问题，笔者认为，应弄清农户为何会对新技术持观望和怀疑的态度。根据心理学常识，任何人对新生事物都具有一定的排斥心理，这种排斥心理是由不信任感和顾虑形成的。不信任感主要表现在新技术与传统技术之间的理念差异，笃信传统种植理念的农户自然不相信新技术可以取得如此好的效益，这种不信任感需要靠坚实的证据或已知的理论来消除。顾虑则主要表现在担心一旦新技术失败，其投资甚至年收益将付诸东流。这种顾虑则需要用实际行动或承诺来打消。笔者建议，新技术的推广工作可以从口说宣教的方式逐步转变为教育、示范相结合的方式。保持现有农技推广普及方式不变，适时优选几个农户设为全额扶持小型试点。试点农户可以获得从种苗、原料、设备到技术的全面免费支持，以消除农户的顾虑。如果新技术在这几个试点取得成功，那么新技术自然会成为一个强有力的范例，足以消除周围农户对新技术的不信任感，从而起到调动农户采用新技术的积极性的作用。
对于如何让农户能够严格按照操作手册作业的问题，笔者建议以下几点。
第一，农技推广人员应当抛开书本深入农户。笔者发现，很多操作手册都是由专业人员撰写的，虽然作者已经尽力写得直白通俗，但其中仍然存在大量专业术语和概念，没有一定专业知识的人是无法完全理解的，要求农户去读懂这本操作手册更是强人所难的。所以，作为基层农技推广人员应当将熟悉操作手册的内容，用平白易懂的语言和方式向农户解释整个操作过程，使农户可以 真正理会各个操作环节的要点，更好的运用新技术。
第二，农技推广人员应当常驻示范点。农作是一项连续性的劳动作业，一旦开始则不可间断。农户在进行新技术作业也是一个连续的过程。个人的认知能力和操作能力不同，每个人在进行自己并不熟练的作业时难免发生各种各样的误操作。对此，农技推广人员就应当常驻在技术示范点，指导农户正确的进行新技术操作，直到农户取得成果，且不可泛泛讲解一番了事。
第三，编写适合农户阅读的操作手册。推广新技术，应当结合当地实际情况为农户编写一本浅显简明的操作手册。对干农户而言，充斥着大量专业词汇和数据的大部头书籍是毫无用处的，农户真正需要的是一本薄薄的，可以看懂的，遇到问题时可以很容易地找到答案的操作手册。农户真正需要的，就是我们农技推广人员需要去了解的。
第四，必要时，可以适当增加新技术的神秘性。这点看似违背了农技推广人员的职责，因为农技推广人员的职责就是要让原本非常高深的技术走下神坛，普及到各个农户中。但是，结合本地区实际情况，在技术推广伊始便将技术原理和操作工艺解释的过于详细的话，会使受众觉得新技术很复杂且乏味，降低了农户对新技术的兴趣。农技推广人员应当根据农户的认知规律，在推广初期采用刻意保密配方，增加技术神秘性；适当夸大误操作的后果。加强农户对误操作的风险意识，适当降低对收益的预估，使农户可以获得意料之外的成果。
对于如何根据当地实际情况改进技术的问题，笔者认为应当提高农技推广人员自身的技术水平。农技推广人员应当适时的赴技术推广成熟地区进行考察和观摩，学习先进经验。农技推广部门应当加强与技术供应企业间的合作，结合本地区实际以改进秸秆生物反应堆技术在我地区的适应性，逐步使技术本土化。农技推广部门和农技推广人员应当更加注重技术推广的反馈信息，从中发现问题，改进技术或推广方式。农技推广部门可以在试点进行多技术综合试验，对试点温室的各项环境指标和作物生长指标进行自动化记录，获取第一手数据。
生物光电技术范文2
关键词：光电子技术；技术应用；发展态势
前言
光电子技术是一项非常复杂的技术，其涉及的学科领域非常多，如电子学、光学、光电子学、计算机学等。光电子技术作为当代科技的重要内容之一，其在社会信息化过程中发挥着举足轻重的作用。光电子技术作为推动社会向前发展的力量，其存在意义重大，值得各国投入大量的资本进行研究。伴随着光电子技术应用的广泛化，国内外学者都加大了对光电子技术的研究，推动着光电子技术的不断创新与发展。加强光电子技术的应用，对于促进社会经济的发展有着非常重大的影响。
1光电子技术的发展概述
光电子技术是由光子技术和电子技术相结合而成的新技术，是信息技术中的一个重要的硬件设备，是未来信息产业的核心技术。
1.1国外光电子技术的发展
由于国外技术水平相对较高，因此国外光电子技术发展的较为成熟。目前，国外光电子技术发展较为迅速的地区主要集中在北美和欧洲[1]。欧洲地区以德国为首也已经加大了对光电子技术的研究，积累了一定的研究理论，取得了重大的研究成果。日本作为亚洲地区的发达国家，其经济水平较高，对于新技术的发展具有一定的前瞻性，在光电子技术方面也取得了一定的成绩。通过对国外光电子技术的应用情况分析发现，国外光电子技术主要应用在了信息光电子技术上。随着光纤通讯网的开发与完善，目前信息光电子技术已经得到了迅速的发展，促进了国外一些国家通信传输量和通讯速度的提高，加速了国外信息产业的发展。
1.2国内光电子技术的发展
尽管我国的科学技术与发达国家相比较有一定的差距，但是随着近几年我国经济的不断发展，我国的光电子技术水平也得到了很大的提高。随着我国对光电子技术研究与应用力度的不断加大，目前我国形成了几大光电子技术发展较为领先的地区：京津地区、长三角地区、珠三角地区和华中地区[2]。由于每个地区发展速度及方向的不同，其依托的企业各具特色。以京津地区为例，其在发展光电子技术上主要以北京的高校、研究所为主要研究主体，以企业的应用为发展动力，在半导体激光器、光学仪器方面都有着较为深入的研究，并且取得了一定的成绩。
2光电子技术的实际应用
2.1信息领域
二十一世纪已经进入到计算机时代，网络应用逐渐普及化，渗透到社会生活的各个领域，如教学领域、医学领域、商业领域等。网络应用在社会中发挥着越来越重要的作用，因此高容量和高速度成为人们对网络提出的新的时代要求。传统的电子技术已经无法满足新时代对网络提出的要求，如何对网络技术进行革新成为新的社会问题。光电子技术的应用，恰好以光子的快速性提高了网络信息的传输速度，解决了人们对于网络信息的要求。随着光存储密度的不断提高，光电子技术在信息领域的应用程度得以加大，并且已经取得了一定的应用效果。
2.2能源领域
随着各国工业化进程的加快，对于能源的需求越来越大，随着不可再生能源储备的不断减少，对于新能源的开发成为人类研究的重大课题之一。高效、清洁的能源成为社会发展的宠儿，因此如何对高效、清洁能源进行开发成为研究的重点。太阳能作为一种新型的能源，受到各国的高度关注。在开发太阳能的过程中，光电子技术的应用能够提高太阳能再向电能转化的过程中的效率和稳定性，因此受到人们的广泛关注。为了促进太阳能的开发，目前众多国家纷纷制定了光伏技术发展计划，加大光电子技术在能源领域的应用。
2.3军事领域
随着军事武器的不断现代化，光电子技术在军事领域中同样具有很大的发展空间。目前光电子技术在军事领域主要应用在提高国防反应能力和准确攻击能力方面，一些发达国家针对激光制导武器已经展开了大量的研究，另外各国针对光电子技术在军事单兵作战武器中的应用也加大了力度[3]。随着光电子技术的不断发展，该项技术已经发展成为军事领域的核心技术。对于激光聚变在军事领域应用的研究，在未来将成为拥有重大价值的军事能源。
3光电子技术的发展前景
从光电子技术的发展状态和应用情况来看，光电子技术拥有很大的发展空间。近几年，随着激光技术的发展与应用，使得光电子技术在多个领域的发展速度得以加快，促进了光电子产业的发展。随着光纤网络在国内的不断发展与应用，光电子技术在信息领域的应用程度得以加深。伴随着光电子技术的不断发展，光电子技术将包含更多的内容。随着研究学者对光电子技术的不断研究，在光电子技术研究领域已经出现了很多新的发展趋势和研究热点。
3.1各种新型激光器的研究
光电子技术的核心是激光器，正是激光器的产生和发展促进了光电子学的兴起与发展。随着激光器的不断创新，为光电子学和光电子技术的发展注入了新的发展动力。随着半导体激光器在各领域的广泛应用，使其技术呈现出高速增长的趋势。正是由于半导体激光器的发展，才促进了其他各种类型激光器的发展。
3.2生物医学中的光电子技术
随着生命科学在科技领域的发展，为光电子技术的应用提供了新的空间。目前，生物医学中的光电子技术研究的主要内容包括两个方面：一是生物系统中产生的光子及其反映的生命过程，以及这种光子在生物学研究、医学诊断、农业、环境、甚至食品品质检查方面的重要应用，利用光电子技术对生物系统进行检测、治疗、加工与改造等。二是医学光电子学基础和技术，包括组织光学、医学光谱技术、医学成像技术、新颖的激光诊断和激光医疗技术及其作用机理的研究[4]。
3.3有机聚合物光电子材料的研究
随着材料科学的发展，有机聚合物材料作为一种新型的材料发展越来越成熟，聚合物光电子学逐渐被人们所认识和重视。为了对聚合物光电子学有更进一步的认识，人们开展了聚合物超快全光开关的研究，并取得了一定进展。聚合物电光调制器在CATV、高比特网络、相阵列系统和计算机平行互联等方面的研究也取得了很大的进展[5]。聚合物光电子材料的应用前景十分诱人。
生物光电技术范文3
【关键词】光电导 光整流 光抽运 非线性差频
一、引言
近年来，非线性光学的飞速发展带动了基于光子学原理产生太赫兹技术的发展，如基于周期微结构材料和固体非线性材料的光学参变振荡、光整流、光电导、光抽运、光学受激效应、表面发射效应、光学倍频及差频效应、光学切连科夫(cherenkov)效应等非线性效应。其中，非线性光学差频方法获得太赫兹辐射因其没有阀值、实验设施容易搭建、容易实现差频转换而称为研究热点。
二、THz波的应用前景
1.THz波成像
利用THz时域光谱技术可以直接测量THz电磁脉冲所产生的瞬态电磁场。可以直接测得样品的介电常数和厚度的分部。应用于国家安全包括情报、安检、破案、生物、化学和医学中的各种成像应用。两维实时THz活体成像可应用于野外昆虫的实时观测，同时也可应用于军事种部队和警察的装备，在一定范围内对敌人的有生力量和犯罪分子进行准确探测。
2.医疗诊断
由于很多的生物大分子及DNA分子的旋转及振动能级所处于THz波段，生物体对THz波会产生独特的响应，所以THz辐射可用于疾病诊断，生物体的探测及癌细胞的表皮成像。癌变组织的THz波具有不同的振幅，波形和时间延迟，我们可以从中得到肿瘤的大小和形状。对人体组织器官成像，可做出肿瘤的早期诊断，许多医院的专家对此项肿瘤的初期诊断技术很满意，并要求早日投入生产，进入临床应用。
3.环境监测
适合于对固体、液体、气体、以及火焰和流体等介质的电、声学性质的研究以及化学组分的表征。THz辐射也可用于污染物检测、生物和化学物质的探测，对生物组织包括植物、动物的组织结构进行成像可获得组织新鲜程度的信息，这可用于食品的保鲜和食品加工过程的监控；检测隐藏在箱包中一般家用材料及民用设备中的特殊物质，如炸药、等。
4.宽带移动通讯于星间通讯
THz电磁波是很好的宽带信息载体，THz波比微波能做到的宽带和讯道数多的多，特别适合卫星间、星地间及局域网的宽带移动通讯。
三、基于光学方法的太赫兹波辐射源
1.光电导产生THz波辐射
光电导方法就是在光电导半导体表面淀积金属制成偶极天线电极结构，用光子能量大于半导体禁带宽度超短脉冲激光照射半导体材料。当强度为I(t)的飞秒激光激发偏置半导体时，如果激光的光子能量大于半导体的能带隙，则在照射出的导带和价带上将分别产生电子和空穴。光载流子密度快速变化，并在外加偏置直流电压Vb的作用下加速运动。由此，将产生电磁辐射并通过天线向自由空间发射。由于辐射的能量主要来自天线上所加的偏置电场，可以通过调节外加偏置电场的大小来获得能量较高的太赫兹波，而制作大孔径的光电导天线可以提高电磁辐射的效率。
快速偏置的光电导体有飞秒光脉冲(泵浦光)激发，作为瞬态电流源，通过天线向空间传播短周期的瞬态变化。为了探测这样一个变化需要一个与发射其相似的装置，但这个光电导体不需要偏置。作为探测器的光电导体由同样的飞秒光脉冲(探测光)激发，在激发瞬间可以探测输出流lout。通过一可调的时间线将飞秒光脉冲相对于泵浦光I(t)延迟时间a，则探测光强度为I(t+a)。
太赫兹辐射源的输出性能主要决定于三个要素：光电半导体材料、天线几何结构和抽运激光脉冲宽度。光电半导体材料si、GaAs、GaP等是产生超短激光脉冲的关键部件，随着对光电导半导体的深入研究，已经开发了很多适宜做光电导开关的材料，在选用制作超快半导体材料时，必须考虑以下因素：(1)载流子寿命短；(2)载流子迁移率高；(3)材料的暗态电阻率大。
2.光整流产生太赫兹波
发生在盐酸氢钾中的光整流效应最早用于产生兆赫级的辐射，当时使用0.1um的激光脉冲。后来由于LiTa03中cu++光整流效应的发现，这种方法的应用范围扩展到了皮秒级领域。进一步的发展使这种方法已经可以应用干各种THz实验。光整流效应是一种非线性效应，是利用飞秒激光脉；(脉冲宽度在亚皮秒量级)和非线性介质如ZnTe)相互作用而产生低频电极化场。此电极化场在晶体表面辐射出太赫兹波。
光整流效应发生在非中心对称材料中。我们可以将光整流效应看做是电光效应的逆过程：入射超短激光脉冲同过非线性极化系数偶合而合成出近似直流(其实为THz，但相对于光的频率来说，频率非常低)的极化。
电磁波的振幅强度和频率分布决定于激光脉冲的特征和非线性介质的性质。常用非线性介质有ZnTe和GaAs。另外，DAST很有潜力，它是非线性效应最强的物质之一。
3.光抽运太赫兹波气体激光器
直接产生THz波的激光器，是利用一台C02激光器的远红外输出光抽运一个充有甲烷(CH4)、氨气(NH3)、氰化氢(HCN)或是甲醇（CH30H)等物质的低气压腔，由于这些气体分子转动能级间的跃迁频率处于太赫兹波段范围，所以可以形成太赫兹波受激辐射，通过选择合适的工作介质、寻找新的能级跃迁谱线，就可以基本覆盖整个太赫兹波段。这种方法可以达到高达上百瓦的输出功率，且已实现商业产品化，并被美国国家航天局应用于大气卫星观测。虽然这种技术被证实切实可行，但这种辐射源不是连续可调的，而且需要大的气体腔和能量输入，在体积、重量、效率、可靠性、维护性、运行寿命，以及频率稳定性方面仍需要改进。
四、基于电子学方法的太赫兹波辐射源
随着太赫兹科学技术的迅速发展，利用真空电子学产生太赫兹辐射的研究工作取得了很大的进步，其中包括真空电子器件、电子回旋脉塞、自由电子激光、Cherenkov辐射，甚至使用存储环加速器来产生高亮度太赫兹辐射。真空电子器件如反波管、扩展互作用振荡器、绕射辐射器件等的工作频率已接近或达到1THz。回旋管可望在1THz产生千瓦级的脉冲输出，平均功率可达几十瓦以上。自由电子激光是获得极高能量太赫兹发射的另一种方法。在自由电子激光中，一束高速自由电子在真空中传输并通过具有空间变化的强磁场，使得电子束振荡并发射光子，反射镜用来把光子限制在电子束内，这里电子束为激光的增益介质，这种系统的造价昂贵，体积巨大，同时需要精密仪器，但是可以产生连续脉冲形式的发射，发射功率比通常使用的光电导天线高出六个数量级以上。电子激光器和气体激光器是目前可以获得太赫兹最高输出功率的方法。
五、利用非线性差频产生太赫兹波
目前光学方法产生THz波辐射主要集中在光参量振荡器(OPO)及差频产生(DFG)方法来获得这一波长范围内的激光。但是OPO输出光能量较低，光束质量比较差；而DFG相对于OPO和化学激光器，由很多优点，如可调范围灵活、全固化结构紧凑、输出能量高等。目前，常采用铌酸锂作为
DFG的非线性晶体材料，它的非线性系数大，损伤阈值较高。
六、差频方法产生太赫兹波的进展
差频方法产生太赫兹辐射的最大优点是没有阈值，实验设备简单，结构紧凑。与前面提到的光整流与光电导方法相比，它可以产生较高功率的太赫兹波辐射，且不需要价格昂贵的抽运装置。差频方法产生太赫兹波的技术关键是要获得功率较高、波长比较接近的抽运光和信号光(两波长相差一般不大于lOnm)，以及具有较大的二阶非线性差频晶体。这样，利用差频方法甚至可以得到比太赫兹波参量振荡器[11―13]更宽的太赫兹波调谐范围，但其存在着转换效率低下的缺点。
早在上世纪20世纪60年代中期，国外就有人利用一台铷玻璃激光器得到1.059―1.073波长输出，通过利用一块石英晶体进行非线性差频，得到大约3THz的输出，但输出效率很低，到上世纪20世纪70年代，R.Ll Ag―garwal等在80K的温度下，用两个单模连续C02激光器在GaAs晶体中通过非共线差频，在0.3～4.3THz频率范围内实现了连续调谐的远红外辐射，线宽小于100kHz。而K.H.Yang等用一台双频率输出的染料激光器，在LiNb03、ZnO等晶体中利用共线和非共线相位匹配，均实现了在0.6―5.7THz连续可调远红外辐射，峰值功率达到200mW。近年来，日本科学家T.Tanabe等利用Nd：YAG激光器(输出波长为1064nm)和该激光器三倍频输出所抽运的BBO晶体光学参量振荡器(BBO―OPO)的输出分别作为抽运源和信号光，采用GaP晶体作为差频晶体，利用非线性相位匹配配置，通过改变两入射光的夹角，实现了0.5～3THz的太赫兹波调谐输出，并在1.3THz处达到480mW的峰值功率输出。
七、全固态激光器泵浦的准相位匹配差频THz波辐射源
利用差频过程获得THz波的最大优点是没有阀值，且试验设备很容易搭建容易实现差频转换，但DFG的转换效率很低，其关键是要获得波长相近的泵浦光和信号光，下面以1319nm和1338nm双波长运转的高功率、准连续全固态Nd：YAG激光器为泵浦源，泵浦周期为16，455,u,mPPLN，实现准相位匹配差频过程，获得0.3lTHz的辐射源。
近年来，THz技术已经有了很大的发展，现在需要把THz技术从试验研究尽快转向实用化。据专家预测，在生物医学的各项应用中，THz技术最有可能率先取得重大突破。在这一领域的发展，在很大程度上取决于应用物理学、生物学、生命科学等交叉学科的研究广度和深度。因此，开发和利用这项技术，需要综合各个领域的知识，积聚更多的研究力量。
生物光电技术范文4
光电化学是在电化学的基础上发展起来的一个新学科,是研究光直接对电极或界面材料的影响以及伴随的光能与电能和化学能转化的学科。1839年，Becquerel首次在由两个相同金属电极和稀酸溶液构成的体系中观察到电极在光照下产生电流的现象（即Becquerel效应）10。20世纪50年代中期，Brattain和Garrett12将半导体的光电化学性质与其电子结构特性结合起来，推动了光电化学相关学科的繁荣发展,并为现代光电化学奠定了基础。进入60年代,DewaldH提出了半导体光电极产生光电势的机理,进一步从理论层面对光电化学进行了阐述。1966年，Gerischer[4提出了半导体电极光分解理论,并首次系统研究了半导体/电解质溶液界面的电化学和光电化学行为；随后Kolb等0对半导体/电解质溶液理论不断丰富和发展，这些理论的阐明进一步为现代光电化学的发展奠定了理论基础。自1972年Fujishima和Honda0发现可以利用TiO2作为光阳极在紫外光照射下催化水的分解以来，光电化学特别是半导体光电化学领域的研究开始得到广泛关注。近年来，随着对半导体新型电极和电解质溶液体系在光照下的电化学行为和光电转换规律研究的深入，固体物理中一些概念、理论的引入与交叉，以及当前能源、环境、分析等学科领域的不断需求，光电化学方面的研究已广泛深入和应用到了光电催化CO:还原、光电化学太阳能电池、光电化学分解水、光电化学分析等领域,并呈现出蓬勃发展的趋势。
光电化学包括光电转化和电化学两个过程。其中光电转换过程,是具有光电化学活性的物质吸收光子而处于激发态，所产生的载流子通过与一些分子发生电子交换而产生电荷分离和电荷传递，形成光电压或光电流，实现光能向电能转化的过程，这是光电化学的核心过程?。另一方面，电化学过程又包括电子传递和界面反应两个过程。实现分离的电子和可分别向基底电极表面和电极材料与电解质溶液的界面转移,并在溶液界面处发生氧化还原反应，实现能量转换,形成光电流或光电压。
具有光电化学活性的材料通过光电化学过程产生光电响应的机理主要有以下两种：（1)当在周围电解质溶液中存在还原性物种时,处于激发态的光电活性物质可以被还原至基态，从而使光电化学过程持续循环进行,进而产生持续光电流；(2)当电子供体或受体作为猝灭分子存在时,在激发态分子与猝灭分子之间会发生电子转移（ET),进而发生氧化还原反应或电极表面电子转出，形成光电流,并使光电材料恢复至基态参与下一次光电响应M。以半导体材料为例,在外界光照、温度、电场、磁场等的作用下,半导体材料价带和导带上的电子态会发生一定的变化而表现出较为敏感的响应，并具体表现为光电、热电、光致发光、电致发光等现象和效应。在半导体材料受到光辐射激发时,光子能量大于禁带宽度时,价带电子就会吸收光子能量而被激发至导带上,而在价带上留有,产生载流子(即电子）。载流子中的电子和可以发生复合并将能量以其他形式释放,如果在一定的条件下发生分离,继而会产生光电压或光电流，实现光能与电能的转化M。如图1所示，当半导体的能带位置与电极的能级匹配时，导带位置上的电子可以转移至电极表面，同时产生的被电子供体捕获完成电极反应,形成阳极光电流;如果导带电子转移至电解质溶液界面处,并与溶液中的电子受体反应,电极表面的电子就会转移至半导体的价带并捕获,形成阴极光电流。因此，光电化学过程不仅伴随着能量转换，同时还伴随着电荷分离、电子传递、能量转移、界面反应等过程。光电化学过程的进行直接关系到光电转换效率、光电化学反应动力学及其应用。另外,光电化学过程的实现不仅与激发光的波长和强度有关,而且与光电材料的类型、性能有着直接且紧密的关系,光电材料本身的光电化学性质、制备方法、复合效果、形貌控制、电荷传导速率等对于光电化学过程的顺利实现有重要影响。
2光电化学传感器概述
随着分析科学的不断发展,新的分析方法不断涌现。自20世纪60年代光电化学过程阐明到21世纪初，光电化学分析方法作为一种新的分析方法开始出现并不断快速发展。光电化学分析是在光照射下基于被分析物、光电材料和电极三者之间电荷转移发展起来的一种分析检测技术14。光电化学分析的基本原理是基于光电化学过程。在电化学(电子传递和界面反应）和光电转换（能量转换）两个过程的基础上，利用被分析物对传感识别过程(界面识别或反应）的影响所产生的光电流或光电压的变化,建立起光电响应变化与被分析物之间的定量关系,从而构建出用于生物、环境等方面分析的光电化学传感器。
光电化学传感器主要分为电位型和电流型两种。其中电位型光电化学传感器主要是指光寻址电位传感器（LAPS)。目前研究较多的是电流型光电化学传感器，它是利用被测物质与激发态的光电材料之间发生电子传递而引起光电材料的光电流变化进行测定或根据待测物质本身的光电流对其进行定量分析。
光电化学传感器将传统的电化学传感器和光电化学结合起来，同时具有电化学和光化学传感器的优点。一方面，该检测方法与目前已经建立起来的电化学发光（ECL)方法在过程上正好相反,ECL采用电作为激发信号,检测的是光信号;而光电化学分析使用光作为激发信号,检测的是电信号,通过采用不同形式的能量作为激发信号和检测信号,使激发和检测信号互不干扰，因而背景信号较低，可获得较高的灵敏度;另一方面，由于采用电化学检测，因而具有设备简单、价廉，易于微型化的优点。
光电化学传感器以其独特的优点，在分析中有着广泛的潜在应用价值。光电化学分析通过与纳米材料的制备、免疫分析体系的构建、生物功能分子的应用等方面的结合，进一步拓宽了其应用范围。目前,光电化学传感器在生物活性分子分析（如半胱氨酸M、NADH21,22、谷胱甘肽E3,24、活性蛋白25,26等)、DNA分析、酶传感分析、免疫分析B6^、细胞相关分析、环境分析（如溶解氧、化学需氧量、有机污染物、重金属离子、有机磷农药、植物调节剂等)领域有着较为广阔的研究。
3光电化学传感器的材料选择与设计
从光电化学传感器的发展过程及其基本原理来看,光电化学传感器在功能结构上分为光电转换单元和传感识别单元两部分，其中前者主要在于选择具有较好光电化学活性和稳定性的光电活性物种来构建光电转换层，后者主要在于通过不同的分析传感策略来实现对目标物的检测。因此，光电化学传感器的构建主要从光电材料的选择修饰和传感信号产生模式两个方面来考虑和设计。
近十年来，随着光电化学传感器研究的不断增多，可用于光电化学分析的光电活性物种也得到了广泛关注。最近,有多篇综述对应用在光电传感器中的不同光电活性物种进行了总结6,5455。可用于光电转换层的材料主要包括有机光电分子、导电高分子、无机半导体及其复合材料等。
3.1有机光电分子
有机光电分子是相对于有机高分子聚合物来说的，主要是指在光照激发下能够发生电子从最高占据轨道（HOMO)到最低空轨道（LUMO)跃迁产生相应激发态和电荷转移的有机分子。该类分子的典型代表主要包括卟啉类、酞菁类、偶氮染料、蒽醌类以及有机金属配合物类等。其中有机金属配合物是有机光电分子中重要的一类，主要是利用具有较大离域电子体系的配体与某些金属离子构成的具有光电化学活性的一类物质。目前研究和应用比较多的是金属钌的一些配合物。Weber等53提出了使用钌-联吡啶作为光电化学信号标记物并给出了其光电化学转化过程。Ru(n)配合物受到光激发后形成活化的Ru(n)*,Ru(n)*失去电子变为Ru(m),然后Ru(m)被电子供体还原为Ru(n)。Dong等制备了钌联吡啶衍生物,并将其作为光电化学信号发生分子修饰到SnO2纳米半导体电极上,第一次通过光电化学法定量测定了生物素亲和素的识别作用。Gao等在ITO表面修饰具有较好稳定性和光响应的核酸加合物（PIND-Ru^PIND),通过ITO表面的核苷酸与目标核酸杂交，第一次用光电化学方法实现核苷酸检测。
有机光电分子一般具有较大的离域电子体系，对可见光有较强的吸收能力，并具有较强的电子注入和电子转移能力等B9’6a。另外,对于有机光电分子，可以根据需要直接合成或进行基团修饰，具有很好的可修饰性。Ikela等合成了一种有机光电材料--5,10,15,20四（4吡啶基)卟啉,并将其沉积在ITO电极上做成传感器，通过光电流的降低可重复检测核苷酸,其检测浓度达到^M级。Yamada等62以蒽醌（AQ)作为光敏剂制备出了蒽醌寡聚核苷酸复合物,并结合转移产生光电流的方法，实现了对DNA胞嘧啶甲基化的光电检测。Pandey等63报道了流动注射分析体系（FIA),选用具有光电化学活性的9,10肩醌衍生物作为信号发生分子,利用激发态蒽醌分子与电子供体（葡萄糖）反应产生的光电流,首次对嵌入DNA中的复合物进行了检测。
但该类材料单独作为光电转化层所产生的光电流较弱，需要与其他传导材料进行复合,以提高光电流信号和检测的灵敏度。如Hu等通过在石墨烯表面负载金纳米粒子，并进一步修饰巯基化卟啉制备出卟啉/AuNPs/石墨烯纳米复合物，以此作为电极修饰材料用于氢醌的光电化学检测，取得了较好的效果。
3.2导电高分子及其复合物
导电高分子是由具有共轭T键的高分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体、半导体的一类高分子材料。由于材料的T电子共轭体系的成键和反键能带之间的能隙比较小，一般约为1.5-3.5eV,接近于无机半导体的导带和价带之间的能隙，因此，共轭高分子材料大多具有半导体性质。目前研究比较多的主要有聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等。导电高分子主要应用于与无机半导体复合和构建可以特异性识别目标分子并具有一定光电化学活性的分子印迹膜。其应用将在后文中进行阐述。导电高分子制备相对简单，并可以实现可控聚合或有目的性的识别基团修饰，具有较强的可设计性，因而有较大的研究潜力。
3.3无机纳米半导体及其复合物
无机半导体材料是目前研究和应用最为广泛的一类光电材料。该类材料可以通过多种方法制得,并可以通过形貌和尺寸控制表现出优异的光电化学性质。由于量子限域效应的存在，无机纳米半导体材料具有比块体材料更优异的光电化学活性。这类材料主要包括以TiOi、ZnO、WO;等为代表的金属氧化物半导体，以CdS、CdSe、ZnS、ZnSe等量子点(QDs)为代表的金属硫族化物半导体。
其中TiOi以其较好的稳定性、较快的电荷传导速率和较好的生物相容性等优点受到了广泛关注，基于TiO:的研究也最多和较为全面。但由于TiO2的禁带宽度较大，只能被紫外光激发；而在紫外光区域,很多检测体系会受到干扰或破坏,从而限制了其进一步的应用。因此很多研究通过使用有机分子、导电高分子、量子点或其他窄能带半导体等对TiO2进行敏化,来拓宽其应用光谱范围。鞠煜先课题组M报道了使用磺酸基铁卟啉功能化TiOi纳米粒子,构建了一种在较低电位下检测生物分子的光电化学传感器。徐静娟课题组M使用CdS与TiOi构成杂合物来构建光电转换层，通过免标记免疫法实现了对目标蛋白的检测。蔡青云课题组69通过CdTe/CdS共敏化TiO2纳米管阵列构建了一种用于八氯苯乙烯检测的免标记光电化学免疫传感器。通过使用P3HT与TiOi复合修饰电极,建立了一种在可见光下零电位检测有机磷农药的光电化学传感器。另外,也有用导电高分子与贵金属粒子共同修饰TiOi的报道。利用导电高分子与TiOi形成的多级电荷分离体系,并结合Au、Ag等贵金属的掺入对电极表面过电位的降低及对转移的促进，可以提高半导体材料的光电化学性能,这也为光电化学分析提供了新的材料复合。
无机半导体中，另一种常用的材料是CdS(Se、Te)纳米材料或QDs,目前已有综述对这类材料的优缺点及应用进行了总结B4,73。针对该类材料具有较高的电荷复合速率和光稳定性差的缺点，通过分子/电子传递体系或有效电子传导阵列，减少半导体中电子的复合,对提高其光稳定性和光电转换效率是十分重要的。近年来，随着对碳材料研究的不断深入,碳纳米管（CNTs)、石墨烯（GR)等材料以其优异的电子学性质，在促进光电极材料的光电化学性质方面有着较多应用。Wang等M合成了CdS修饰GR的复合材料,并构建了用于灵敏检测有机磷的光电化学传感器。使用一步快速溶液反应制备了GR~CdS纳米复合材料,并用这种新合成的GR~CdS纳米复合材料构建了用于检测谷胱甘肽（GSH)的光电化学生物传感器。Li等M通过苯并b]芘磺酸盐与还原的氧化石墨烯(RGO)之间的mi堆积(stacking)作用对RGO进行非共价功能化,并结合CdS纳米粒子的原位生长制备了RGO^CdS纳米复合物；以此材料为光电转换层免疫检测了前列腺特异性抗原（PSA)。制备了具有较好光电化学活性的Cd0.5Zn0.5S/RGO纳米复合材料，并基于此复合材料构建光电化学传感器，用于Cu2+的选择性检测。碳材料作为电子传导基质的引入，不仅提高了量子点的光电转换效率，也为提高其他半导体材料的光电化学活性提供了重要思路和方法。
此外,氧化钨作为一种本征型半导体氧化物,具有耐酸性和耐高温的能力，并有较高的抗光腐蚀性；其能带宽度约为2.6eV,对可见光中的蓝光有较强的吸收；由于其能带宽度较TiOi小，可直接利用太阳光，因而具有巨大的潜在应用价值62’83。我们课题组M以WO;为基础材料并与石墨烯和原卟啉复合,构建了一种多级电荷分离体系用于半胱氨酸的光电检测。Zhang等M制备了WO;修饰TiC/C核壳纳米纤维复合电极,用于H2O2的无酶光电化学检测。纳米硫化铋是一种重要的窄能带直接半导体，其禁带宽度可以调节（Eg=1.30~1.70eV),表现出具有较宽的吸收光谱和较高的吸收系数（一般在扣4?^5^-1)B5-86。我们课题组在进一步研究B^h的光电化学性质的基础上，分别构建了用于检测DNA甲基化67]、DNA甲基转移酶活性和miRNA89的光电化学生物传感器。
3.4其他
除了以上讨论的这些光电活性物质外,全碳材料M和QN4复合材料M也逐渐引起了人们的关注。另外,某些生物材料如细胞、DNA、荧光蛋白等也具有光电化学活性，利用它们自身的光激发电荷转移过程引起的光电流变化，可以研究生物分子与其他物质间的相互作用92,该领域仍需深入研究。
4光电化学传感器信号产生与传感模式
4.1直接电荷转移与氧化还原
在光电化学传感器的设计上，一般采用较多是阳极光电流。在该传感模式中，光电极的电极反应只涉及电荷转移和电子或参与的直接氧化还原反应,一般不包括分子识别、酶催化等其他过程;信号产生的重要环节是实现电荷的有效分离。在光激发下，光电活性物质发生电子跃迁产生电子，电子转移至电极表面,而留在光电层中的与电解质溶液中的待检测物分子发生氧化还原反应。被检测物一般是具有还原性的物质，通常将其作为电子供体以一定浓度直接加入到电解质溶液中。被检测物分子的加入使得光电层中产生的电子可以有效分离,减少其复合,使光电流增加。光电流的增加会随待测物浓度的增大而增强，因而可以通过光电流与被检测物分子的数量关系实现对待测物的定量分析。Cooper等63制备了亚甲基蓝和亚甲基绿固定的磷酸锆修饰的铂通道光电极,在波长620~670nm的可见光照射下，光氧化的染料与抗坏血酸发生反应产生光电流；基于该电极构建的传感器对抗坏血酸的定量检测浓度可达到1mM。鞠煜先课题组64使用磺酸原卟啉功能化的ZnO纳米粒子修饰ITO电极构建了一种光电化学传感器。所制备的电极在360nm的光照下表现出有效的光电流响应;加入的半胱氨酸作为电子供体,可有效地捕获光生而使光电流增强。基于这种光电流信号增强检测半胱氨酸的线性范围为0.6~157^M,检测限为0.2+M。另外，鞠煜先课题组M还应用基于抑制电荷复合的光电化学策略来检测多巴胺。该光电化学传感器是通过将表面未钝化的CdTeQDs直接涂覆在含氟导电玻璃（FTO)基底上制得。量子点在405nm的光激发下，产生电荷分离，电子转移至溶液中的02使其还原为O2_.,促进电荷分离。能级处于量子点价带和导带之间的电子供体可以捕获,从而抑制载流子的复合,使光电响应增强。
虽然基于直接电荷转移与氧化还原的策略具有直接、简便、易行的特点,并且灵敏度较高,但存在的问题是可用于直接检测的目标物较少，且体系抗干扰能力较弱,在选择性上往往不能给出比较满意的结果。为了提高选择性，可以通过一定的前处理过程,将目标分子有选择的转化为可用于光电流信号产生的物质，以间接的方式来达到检测目的。如Li等M首先将待检测的甲基对硫磷通过简单水解反应得到对硝基苯酣,然后以对硝基苯酣作为电子供体,在由PTCA/TiOl作为光阳极构成的光电化学池中检测光电流信号,从而间接地实现了对有机磷的检测。
4.2基于分子结合导致的位阻效应引起的光电流抑制策略
基于分子识别和结合引起的光电层表面空间位阻效应建立起的光电化学传感器,在很多方面得到了研究和应用。通过前面的介绍可知，一般对于阳极光电流的产生,需要在电解质溶液中有电子供体来捕获来完成光电极反应。在用于光电检测的光电化学池中，无毒且氧化电位较低的抗坏血酸通常会被作为电子供体加入到电解质溶液中B7]。如果在光电层与电解质溶液层之间嵌入具有空间阻隔效果的分子复合物，就会阻碍电子供体向光电层的迁移和捕获,从而使光电流降低。基于这种光电流的降低与位阻效应的定量关系可以用于目标物的分析。目前文献报道的基于分子识别和结合产生位阻效应最常用的方式是形成生物分子间强作用亲和物（如生物素亲和素、抗原~抗体、分子受体等作用方式）。Cosnier课题组M使用生物素标记的吡咯基-Ru配合物为前驱体,利用电化学方法合成了含生物素的聚（吡咯-Ru(n))复合膜，通过生物素和亲和素之间的亲合作用，将亲和素标记的霍乱毒素（choleratoxin)固定到电极表面，并利用抗原抗体结合,以光电流降低法检测了霍乱毒素抗体。徐静娟课题组99利用层层组装法将正电性的聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDDA)和巯基乙酸（TGA)修饰的带有负电性的水溶性CdS量子点（TGA^CdSQDs)交替组装在IT0电极表面，再通过TGA表面的一C00H与IgG的一N%结合将IgG修饰到电极表面从而制备出免标记的光电化学免疫传感器。在含有0.1M抗坏血酸（AA)为电子供体的磷酸缓冲溶液中，不加抗原时该光电极有较强的光电流响应，在加入抗原后,抗原与抗体形成免疫复合物,增加了光电极表面的空间位阻，阻碍了电子供体的传质过程从而使光电流减小，该传感器在最优条件下对抗原的检测,表现出较好的选择性、灵敏度和稳定性。
还有一些文献报道了基于aptamer与生物材料之间的作用产生位阻效应来检测目标物的方法。Zhang等_分别在层层组装的CdSe纳米粒子光电层上固定了可特异性识别目标细胞和溶菌酶的aptamer,利用aptamer与目标物形成的复合物增加电子供体传输的位阻，以抑制法实现了对Ramos细胞和溶菌酶的检测。另外,也有利用修饰在电极表面某些可以与靶细胞表面残基特异性识别的分子，将被测细胞键合在电极表面形成位阻效应。如Zhao等刚将叶酸固定在GR/CdS修饰的IT0电极表面,利用叶酸与癌细胞表面叶酸受体之间的结合作用将细胞固定在电极上，以抑制法实现对目标癌细胞的检测。徐静娟课题组M以苯硼酸功能化的卟啉敏化TiOi作为光电层，利用硼酸基团与目标细胞表面的睡液酸残基结合形成的复合物来产生位阻效应,以抑制法检测目标细胞。
4.3酶抑制及酶催化法
光电化学分析中基于酶催化活性来实现信号产生和变化也是一类重要的策略。在光电化学分析中常用到的酶主要有乙酰胆碱酯酶（AChE)、辣根过氧化物酶（HRP)、葡萄糖氧化酶（GOx)、碱性磷酸酶（ALP)等。
在光电化学分析中，电极光电层表面固定的AChE可以催化硫代乙酰胆碱生成胆碱，胆碱具有一定的电活性,在被氧化后，两分子的胆碱可以通过S-S结合形成没有电活性的二聚体，同时产生光电流。该过程需要利用固定在电极上的AChE的酶催化反应来完成。当有AChE酶抑制剂存在时,AChE的活性就会降低，进而会导致生成的胆碱量减少和光电流降低_。通过这种策略既可以分析AChE酶的活性，也可以对抑制剂进行定量&04,105。如Wang等和Gong等刚分别用AChE修饰CdS/GR和BiOI光电层，利用有机磷农药对AChE酶活性的抑制作用，以光电流抑制法实现了对有机磷农药的检测。
HRP的应用主要有两个方面，一是与％02一起用于生物催化沉积（BCP)。利用固定有HRP的CdS/TiOi修饰电极，通过HRP在H2O2存在下催化氧化4氯4萘酣（4-CN),在电极表面的沉积物，阻碍电子供体传质过程,使光电流降低,并以此建立起对H2O2的光电化学检测。该课题组M还基于生物催化沉积（BCP)构建了连有HRP的三明治结构的光电化学免疫分析阵列，并考察了对鼠IgG(抗原Ag)的协同超灵敏检测。HRP在该体系中主要有三个作用：（1)HRP标记的二抗(Ab2)通过生物结合后可以增强空间位阻，（2)HRP与％O2共同催化促进BCP过程，进一步增强位阻效应，(3)HRP可以吸收部分光子，使信号降低。综合BCP^PEC免疫分析阵列的多信号协同结果,该电极表现出对抗原较好的分析性能。HRP应用的第二个方面是催化％O2分解，该方面在信号传感中又可以以两种形式实现。第一种是HRP直接催化&O2分解,促进电极与电解质溶液之间的电子传递和光电流的产生M。第二种是通过HRP标记的待测分子与未标记的待测分子之间的竞争和HRP催化共同实现的。如Kang等aw]使用抗体(Anti-PAH)修饰的TiO2纳米管(TiO2NTs)与多环芳香化合物（PAH)和HRP双功能化的纳米金(BGNPs)复合，用于PAH超灵敏光电化学免疫分析。在不加入PAH时，Anti~PAH的表面被BGNPs所饱和，BGNPs上的HRP可以催化H2O2的还原，促进电极和电解质之间的电荷传递,从而产生光电流；而在加入PAH后,PAH会与BGNPs竞争与Anti-PAH的结合位点，使BGNPs的结合减少，并导致光电流降低。除了不参与BCP外,GOx与HRP的应用基本类似。
ALP是生物体内广泛存在的一种酶，可以催化水解生物体内的许多磷酸酯。最近，徐静娟课题组112提出了以ALP标记二抗并通过纳米金扩增，催化底物中的抗坏血酸磷酸酯（AAP)原位产生抗坏血酸作为电子供体，以光电流信号增加的方式免疫检测了前列腺癌抗原（PSA)。随后他们M又报道了将ALP固定到TiOi层，催化AAP产生抗坏血酸盐,利用抗坏血酸盐与TiOi表面的缺陷形成配体金属电荷转移复合物，使得TiO2在可见光区域有了较强的吸收带,进而产生光电流响应,并在此基础上考察了2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)对ALP酶活性的抑制作用。
此外在光电化学分析中应用到的酶还有肌氨酸氧化酶以及类酶M等,如利用FePt的类过氧化物酶活性检测％O2ai6,117]；某些DNA酶也具有类过氧化物酶活性，可以通过BCP或基于％O2分解引起的信号产生用于光电化学分析49。除了直接对酶活性进行分析以外，也可以通过间接法进行分析,如Willner课题组_曾报道过间接法测定酪氨酸酶(Tyrosinase)活性的方法。
4.4贵金属纳米粒子的局域表面等离子体效应(LSPR)与激子等离子体激元反应（EPI)
贵金属（Au、Ag、Pt等）在分析化学中有着广泛的应用。LSPR是入射光的电磁场频率与金属自由电子的集体振荡频率发生共振时产生的一种物理光学现象,该现象与纳米粒子的形状、大小、间距、介电性能以及周围环境等有关M。利用LSPR的性质，目前已经发展了基于散射、消光等技术的LSPR光学传感器_。基于TiO2或ITO电极负载的Au、Ag等贵金属纳米粒子的LSPR光电化学性质，可以开发新的光电化学分析方法。在可见光的照射下，负载在电极表面的金属纳米粒子由于表面LSPR的存在而引起电荷分离，当电极基底材料的导带态密度比金属纳米粒子的更高时,就会有金属纳米粒子的光激发电子向电极转移12fl,氧化态的金属纳米粒子从溶液中捕获电子，从而产生光电流。Zhao等122以液相沉积TiOi为基底，以AuNPs为LSPR产生源,考察了％O2对AuNPs在TiOi表面的生长调控,并结合GOx催化氧化葡萄糖促进电荷转移，以信号增强的方式检测了葡萄糖。
陈洪渊课题组在研究了CdSQDs与贵金属纳米粒子（AuNPs、AgNPs)光电化学过程的基础上还提出了激子等离子体激元（EPI)相互作用的信号产生模式,并以此策略实现了对DNA的检测。以CdSQDs与AuNPs之间的作用为例，其作用原理如图2所示。在一定能量光子激发下（过程1),量子点价带上的电子发生跃迁至导带上（过程2),产生电子。如果电极处在合适的溶液中并且材料与电极能级合适，溶液中的电子供体就会捕获（过程3),导带上的电子也会向电极方向转移（过程4),就会有光电流的产生，这种情况和前面讨论的情况一致。但是激发产生的载流子难免会发生复合（过程5和6)。在复合过程中，经过弛豫之后的辐射跃迁会发射出荧光；如果所发射的荧光与AuNPs的吸收谱发生重叠，就可以引起AuNPs的LSPR,将这部分能量吸收（过程7)。同时,LSPR所产生的局域电场会反过来加强过程6的进行（过程8),从而建立起CdSQDs(激子）与AuNPs(等离子体）之间的能量传递（总和为过程9),使得光电材料的效率降低。将AuNPs换成AgNPs也有类似的过程。目前,基于这种策略的研究还比较少。
3.5其他传感模式
除了以上传感模式外,基于电极表面原位沉积导致的光电流变化策略、基于分子印迹识别的光电分析策略（MIP-PEC)、光电活性物质tlsDNA嵌合策略、化学发光激发的光电化学检测体系及某些signal-on策略也得到很多关注。
基于电极表面原位沉积导致的光电流变化策略主要用于某些金属离子和阴离子的检测。电极表面的原位沉积一般是指通过一定方法在修饰电极表面形成新光电活性中心的过程。新光电化学活性中心的生成主要是利用电极表面已有的光电材料与溶液中的某种待测离子发生离子交换,或是借助一定的辅助物与被测金属离子作用形成沉积。Shchukin等125首先将新制的CdO修饰电极放入含S2-的溶液中，在CdO表面形成CdS沉积；然后将CdO/CdS修饰电极在另一不含捕获剂的电解质中检测其光电流响应，来检测S2-。该检测策略用于检测的金属离子比较多的是Cu2+和Cd2+。由于CuS的溶度积常数比CdS的小，当把以CdS或其复合物作为光电层的修饰电极浸入含有Cu2+的溶液中，通过离子交换会在CdS的表面生成CwS。所生成的C^S在CdS表面相当于是一个激子阱(excitontrapping),由于它的形成使得载流子易于在激子阱中复合,从而导致光电流的降低，以此可以实现对Cu2+的定量分析a26?12a。对于Cd2+的检测一般是采用在电极表面沉积CdS或CdSe的方式来进行。田阳课题组&29]将TiO2NTs电极浸入含有％SO4和SeO2的体系中，随着Cd2+加入量的增多，在TiO2NTs上原位电沉积出CdSe纳米簇，对TiOi起到敏化作用，使光电流增加，以此实现对Cd2+的定量分析。基于类似的方法，该课题组㈣还在TiOiNTs和CdSO^溶液体系中，利用&S与Cd2+反应生成的CdS在TiO2NTs上沉积敏化来检测H2S。
对于某些非电活性的被测物，可以选择分子印迹（MIP)与光电化学分析相结合的方法来实现高选择性检测的目的。Shi等131首次在TiOiNTs负载吡咯基聚合物作为增强光电层和MIP识别单元，以信号增加的方式实现了对2,4~D的灵敏检测。同一课题组的Chen等_和Lu等_分别利用类似的方法实现了对微囊藻毒素（Microcystin~LR)和双酣A的检测。于京华课题组134,135先后报道了利用聚邻苯二胺分子印迹膜修饰TiOiNTs构建光电化学传感器，并用于毒死啤(Chlorpyrifos)和林丹(Lindane)的特异性识别和检测。
在与DNA分析有关的检测中，比较常用的方法是基于Ru联吡啶配合物与双链DNA的嵌合作用。郭良宏课题组在这方面做了很多工作。如果先将Ru联吡啶配合物固定在电极表面作为光电活性中心,当溶液中加入未损伤的双链DNA时,双链DNA就会键合在电极表面,使光电流降低136;而当DNA受到损伤后,损伤的DNA会将Ru联吡啶配合物暴露出来，使光电流响应增强。另一方面，如果先将双链DNA固定在电极表面，当DNA以双链完整形式存在时，具有光电化学活性的Ru联吡啶配合物就可以嵌入到DNA双螺旋结构的凹槽中，会产生较大的光电流；当DNA受到损伤后，Ru联吡啶配合物就会从DNA中脱离出来，光电流降低。通过对比前后的光电流变化就可以对双链DNA损伤进行检测。随后，该课题组将Ru-联吡啶配合物与双链DNA的嵌合作用推广到了Hg2+6141、DNA8~oxodGuo损伤_和DNA甲基化损伤检测等方面。
除了外加物理光源为激发源的检测过程外，以化学发光（CL)作为激发源,并与光电化学检测结合起来的方法也有报道。张书圣课题组143报道了以异鲁米诺4^O2~Co2+化学发光体系为光源，通过间接法检测了癌细胞中的巯基化合物。Willner课题组144以Hemin/G四联体4^O2化学发光共振能量转移（CRET)体系为激发源，实现了对GOx酶活性和DNA的分析。
此外,为了提高光电化学检测的灵敏度,通过其他途径实现signals检测的策略也引起了人们的研究兴趣。张书圣课题组先后报道了基于aptamer与目标分子的识别反应间接signals检测癌细胞中的三磷酸腺苷（ATP)a45和基于溶菌酶与aptamer之间识别反应的反位阻效应signals检测溶菌酶146。类似地,Zhang等M先将可以与双酣A特异识别的aptamer固定在光电层上，当在体系中加入双酣A后，双酣A与aptamer的识别反应使aptamer脱离光电层，实现了signal~on检测双酣A。
5光电化学传感器的发展前景
目前光电化学传感器中光电活性材料选择主要集中在TiO2、ZnO、CdX(S、Se、Te)、Ru金属配合物、有机染料等。为了促进电荷分离和电子传递,构建多级电荷分离体系、光电材料电子传输介质复合等手段在光电化学体系的设计上得到了一些应用；在信号识别和传感模式上也有了多种实现方式。近年来，随着流动注射系统、微流控系统等的快速发展，将这些技术与光电化学分析结合起来，共同开发可用于多组分、多样品、高通量阵列检测系统逐渐引起了人们的关注。此外种廉价、可快速制备的纸基光电分析体系也引起了人们的研究兴趣。
生物光电技术范文5
关键词 光电子技术；发展态势；应用实践；信息技术
中图分类号：TN2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0005-02
光电子技术学科涉及了光学、电子学、光电子学、计算机等技术理论，是一种由多学科相互交叉并渗透形成的一项技术。光电子技术是将光子学为研究核心，电子学为研究支撑的新型技术，兼容了电子技术，而且还具有微电子技术不能相比的优越性，有了更广阔的应用领域和发展空间。21世纪是一个光电子共同作用的时代，光电子技术的高效发展有利于促进世界相关技术的融合、渗透，有利于各科学技术之间相互作用，更好的为社会经济发展做贡献。
1 光电子技术概述
光电子技术更加确切的应该称为光电子信息技术，实现光能与电能的转换是它的核心内容，是指利用光子激发电子或者电子跃迁来产生光子物理现象所提供的一种技术方法。光电子技术是信息技术中一个重要的硬件设备，加大了把全世界计算机进行联系的可能性，也给和卫星或外星联系组成网络提供了希望，是因特网的支柱技术。光电子技术从20世纪60年代产生以来，在众多高新技术发展中它的发展最为迅速，在我国的众多领域内均已被应用、推广。
随着社会经济的快速发展，时代的信息容量不断增加，反映出了信息发展的高容量性以及高速度性在电子学与微电子学技术发展上的局限，而光的高频率与高速度的信息处理特点逐渐在信息技术发展中取得突破性的发展，将信息的探测、传输、显示、运算、储存和处理都使用光子与电子技术相结合来参与完成，确定了光电子技术在信息领域的地位。
2 光电子技术的发展态势与应用实践
1）在传统领域中，光电子技术的发展与应用。光电子技术对改造我国传统产业技术和发展新兴技术产业都有积极作用，对产业结构优化也有促进作用。光电子技术具有准确、快速、精密、高效等优势，能够有效的提高产业的加工水平，增加产业的竞争力和附加值。以激光加工技术为例分析，激光加工技术通常应用在我国重点发展领域，飞机、航天、汽车、通信等领域，其生产特点有加工效率高、速度快、变形小、质量高、易控制，有助于实现自动化生产。能够很大程度的降低生产成本，提高产品的质量，对提高国际竞争力也有重要的积极作用。
2）现代能源结构中，光电子技术的发展与应用。在美国、日本等众多国家都制定了光伏技术的长久发展计划。各国将提高光电池转换效率与稳定性为技术开发方向，逐渐降低产品的生产成本，提高产业效率，扩大产业发展。目前在世界范围内，商业化和半商业化的生产模式已经有80多个国家和地区形成，增长值已经达到16%，市场的开拓也从空间开拓转向了地面的系统应用，甚至在驱动交通工具的领域也逐渐被应用。据相关报道，在世界发展中，对太阳能住宅的建造投资已经达到了600亿美元，光电子技术在建造太阳能住宅中主要是将用光伏技术制作的光电池作为住宅屋顶、墙面、窗户等建材，随着经济和技术的发展，这种新型能源的应用规模也在不断扩大，相关人员分析到2016年，在太阳能住宅的投资规模会扩大一倍，投资将达1300亿
美元。
太阳能光伏技术的应用形成了一种新型能源，太阳能光纤技术发电系统主要是利用太阳电池半导体材料的一种光纤效应，主要是将太阳光辐射能转化为电能的新型的一种发电系统。因世界经济的快速发展，能源出现供不应求现象，经济发展与能源短缺之间的矛盾越来越严重，于是世界各国逐渐的将发展目标统一转向了光伏发电，制定了长期的光伏技术发展计划。光电子技术为光伏发电创造了高性能的材料与电子元件，很大程度的提高了光能的转化率。光电子技术的不断发展扩大了光伏发电的应用范围，上到航天器，下到家用电器，大到兆瓦级电站，小到儿童玩具，都充满着光伏电源，21世纪注定了是光伏技术的发展时代。
3）军事领域中，光电子技术的发展与应用。光电子技术的独特优势可以应用在毁灭性武器、精密制导、监测、瞄准、频谱分析等技术领域。光电子技术能够提高国防的反应能力和准确攻击的能力，为军事领域提供又准又快的信息。光电子技术目前已经成为了军事领域发展的主流技术，逐渐成为了国防军事现代化的发展支柱。
在军事领域，光电子技术的发展主要体现在两个方面：①激光聚变的应用。激光聚变是一种未来能源，它有巨大的军用价值，它能够模仿氢弹爆炸的过程，代替了成本高、危险性大的空中或地下核试验，有效解决了改进核武器的性能的难题。到目前为止，激光致盲武器已经逐渐装备到部队，舰载与机载激光反导器也已经走出了实验室；②电光技术目前已经发展成为了军方的核心技术。随着世界光电子技术的快速发展，美国国防防务水平也呈递增的形势发展，美国平均每年用在防务光电技术开发上的费用就能达到50亿美元。
4）在硅材料中，光电子技术的发展与应用。把硅当材料制造的光电子元器件称为硅光电子学，这是一门新兴技术，具有很大的发展前景。用硅晶体当作材料制造的光电二极管有量子效率高、响应快、噪声低、体积小、动态工作范围大、寿命长等优势，通常被应用在微弱、快速光信号探测等方面。硅光电子学技术的应用能够给世界带来更先进的数字设备，在性能方面能得到前所未有的突破，硅光电子学是未来发展的重点。
5）在尖端科学技术领域中，光电子的发展与应用。光电子技术对科学技术的发展有积极作用，光电子技术所涉及到的科学领域都是未来发展的尖端科技，如兆兆纪元，这是1996年由惠普公司提出的，是为了满足人类在信息时代的不断增加的新需求，是人们想要在10到15年内实现的一个梦想。具体兆兆纪元技术在传输技术上，每秒兆兆位千线，运用远程的传输网络；处理技术上，每秒运算万亿次计算；存储技术上，有兆兆字节的数据库，有数兆兆字节的盘片驱动和数千兆位的记忆芯片。光纤传输的容量、光处理的能力和光储存的密度都在快速提高，光电子技术的发展态势能够充分实现这个梦想，
再如HIV免疫系统的检测技术。相关人员已经使用光学生物医学仪器在研究艾滋病病毒上取得了巨大成果，有利于研制出能够有效抵抗艾滋病病毒的新药。在尖端的生物学实验室中应用光学探测，比如研究定量衍生的DNA与定量化的聚合酶链反应PCR，对人类抵抗HIV病毒有非常重要的作用。
3 结束语
光电子技术在这个信息化时代的作用越来越重要，现如今，光电子学的应用已经发展到了经济、军事、科技与社会发展的各个领域，信息的传输、探测、运算、显示、处理与存储等都需要光子技术与电子技术共同参与完成。在世界范围内，光电子技术现已被确定为是未来经济发展的制高点，是未来经济建设中推动传统产业的技术改造工程、结构优化和新产的发展的关键力量，所以各国要加强对光电子技术的研究，推动光电子技术在各个领域中的应用范围，促进世界经济现代化的发展
进程。
生物光电技术范文6
光电产业园是以光电子、电声科技企业为主的研发生产基地，实施研发孵化-加速成果转化-产业化的三级跟进式培育，提供金融超市、技术交易市场、检测中心、品牌营销管理等全方位服务，有效促进了企业的快速发展和壮大，极大地推动了企业核心竞争力的快速提升。到2015年，园区可实现产值1000亿元、利税250亿元，成为国内领先的光电子产品研发生产制造基地。光电产业园通过强化科技、质量、金融、人才支撑，实施了孵化器、加速器、产业化基地的三级跟进式培育，加快金融超市、融智平台、技术交易市场、检测中心等全方位的服务，促进企业的生成、发展和壮大，提升了园区功能。
据了解，在高新区光电园投资7000余万元建设的国家级半导体器件质量监督检验潍坊中心设有工艺验证、LED器件检测等10多个实验室，可为入园企业提供“当地生产、当地检测、当地认证”的一条龙服务。作为国家级权威性检测机构，检测中心组建起以中科院院士、海外归国博士为代表的研发团队，可提供芯片、半导体器件、LED产品可靠性试验等第三方检测和研发服务，减少了企业检测费用，缩短了产品认证周期，有效增强了光电产业竞争力，并辐射带动省内半导体产业的发展。
目前，光电园聚集企业126家，其中规模以上企业26家，2011年实现园区主营业务收入120亿元，形成了以浪潮华光、歌尔集团、中微光电子等一批骨干企业为代表的半导体产业链，产品面向苹果、索尼、微软等国际品牌，成为国内外重要的光电子产品研发制造基地。十二五期间，产业集群将新增投入500多亿元，新建续建100个重点项目，培育科技型中小企业400多家，打造30多家过10亿元企业，形成千亿级光电产业集群。
