光电化学(PEC)现象是指光敏材料(如半导体量子点等)吸收光子后产生电子-空穴对,进而引起界面上的氧化还原反应,实现电荷的分离与传递,形成光电压或光电流的过程。近年来,基于光电化学与传统电化学传感结合而产生的新一代光电化学传感技术迅速引起了研究者的广泛关注。该方法具有设备简单,价格低廉及高灵敏度等诸多优点,在环境监测、食品安全、尤其是生物分析领域显现出了巨大优势。基于不同的生物识别元件,人们发展出了多种光电化学生物传感方法来检测相应的目标物。在各类光电化学生物传感方法中,基于DNA的检测方法由于DNA分子自身所具有的灵活组装性及良好的生物亲和性,在传感策略的设计方面展现出了独特的优势,其发展也最为迅速。本论文基于将DNA分子的各类独特性质与PEC传感技术的巧妙结合,围绕新型PEC DNA分析方法的开发与应用,开展了以下四个方面的工作:1.基于DNA-蛋白质相互作用的无标记型光电化学传感方法在分子生物学领域,蛋白质-核酸体系作为调控生理活动的一种重要手段,一直受到研究者们的广泛关注。其中,特异性序列DNA的结合蛋白在遗传信息转录、复制、重组和修复中均发挥着重要作用,也因此成为疾病诊断和药物研究的重要标记物。在本工作中,我们开发出了一种简单便捷无标记型的光电化学蛋白传感器。在生物体系中,TATA蛋白在对特异DNA序列(TATA盒序列)的识别时可通过对DNA双螺旋链的嵌插与弯折作用改变其原有的刚性构型,使该DNA序列发生高达80度的弯折。据此原理,我们通过共价修饰作用将包含TATA盒序列的DNA探针固定于具有可见光响应的CdS QDs电极表面,随着目标蛋白被TATA盒探针成功捕获,在该电极表面形成的DNA蛋白复合物会产生显著的位阻效应,导致光电流信号发生一定程度的降低。基于此,我们成功检测到了TATA盒序列对其结合蛋白的特异性捕获,实现了对目标蛋白0.04 ng/mL水平上的灵敏检测。由于这种特异性的识别作用广泛存在于多种DNA与其结合蛋白之间,该方法有望为其他多种新型传感器的开发提供借鉴。2.基于DNA和结合蛋白相互作用调控能量转移过程的高灵敏光电化学传感方法能量转移是指量子点与贵金属纳米粒子之间由激子-等离子体相互作用(exciton-plasmon interactions,EPI)而引起的能量转移过程。随着两者之间能量转移的发生,量子点的光电流强度将产生一定程度的猝灭,该过程受贵金属粒子的吸收光谱的影响,同时也与粒子间的距离有关。在上一章工作的基础中,我们进一步将Au纳米粒子末端修饰的DNA探针负载于CdS光电极表面,通过目标蛋白捕获后探针DNA构型的弯折实现了对Au纳米粒子及CdS量子点能量转移体系中粒子间相互距离的调控,改变了量子点表面的微环境。此外,基于双链DNA的刚性伸展作用,我们同时考察了不同间隔距离下,Au纳米粒子对CdS量子点的光电猝灭机制,进一步验证了通过距离改变调控量子点光电响应性能的可行性。基于上述光电传感模式,我们在优化的实验条件下实现了低浓度范围内对TATA蛋白的超灵敏检测,首次建立了通过生物识别反应所带来的距离变化来调控能量转移过程的光电化学传感新机制,并有望为后续生物识别及生物催化转移领域的相关工作提供新的借鉴意义。3.基于银催化沉积影响能量转移过程的光电化学microRNA传感器在基于量子点的光电化学传感中,往往通过生物识别过程引入或释放贵金属纳米粒子,通过贵金属粒子引发的EPI效应来调控体系的光电响应性能,目前已发展为常用的传感手段。由于Au NPs良好的生物亲和性及稳定性,大量相关工作中均采用了 Au NPs标记法。与Au相比,由于Ag NPs与CdS QDs的吸收谱有着更高程度的重叠,在光照作用下可一步激发能量转移,产生高效的EPI效应,由此产生更加直接明显的光电流猝灭效果。本章中,我们通过目标microRNA捕获后电极表面探针构型的变化,将碱性磷酸酶标记到Au NPs临近端,随着酶催化作用下还原产物的产生,在Au NPs表面原位引发了银催化沉积过程,近距离激发了 EPI效应,实现了对CdS QDs光电响应性能的更高效调控,并由此达到对目标物microRNA的灵敏检测。本工作通过在生物识别界面直接激发的EPI效应成功实现了对量子点光电性能的高效调控,拓宽了量子点-贵金属粒子间相互作用机制的应用范围,有望为后续生物识别体系的相关工作提供参考。4.基于DNA构型转换的光电化学汞离子检测汞离子作为一种高毒性且在污染环境体系中普遍存在的重金属离子,对人类健康以及环境安全都存在着巨大威胁。本论文,利用T—Hg2+—T碱基对稳定结构的形成,我们将DNA组装技术与光电化学检测体系有机结合,实现了对溶液中Hg2+的快速,灵敏,实时检测。具体来讲,通过富含T碱基的探针序列的修饰,在Hg2+特异性捕获的同时有效实现了 DNA探针的构型折叠。由于探针末端修饰的CdS量子点在折叠后可作为光电活性中心与电极表面发生直接的电子传递,成功的激发了电极表面的光电响应过程,从而实现了对目标离子Hg2+的灵敏响应。此外,我们还研究了该传感器的专一性和稳定性,与同时期其他类似工作相比,该传感器操作简单,且灵敏度高,专一性强。