基于光子晶体增强基底的电化学发光超灵敏传感方法的构建及应用

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电致化学发光(Eelectrogenerated chemiluminescence或Electrochemiluminescence,ECL)分析技术是一种强大的电化学检测方法,具有设备简单、易于操作、灵敏度高等优点,被广泛应用于环境监测、生物分析等领域。然而目前ECL的信号放大策略多依赖于核酸扩增,该技术在检测过程存在信号干扰,不利于痕量目标物的高灵敏识别。此外,大部分ECL发光体存在环境毒性,影响探针分子的生物活性,降低检测体系的准确度。针对这两个关键问题,本工作以发光增强基底作为研究思路,引入环境友好型的光子晶体作为基底,增强目标物的ECL信号,构建多类型超灵敏ECL传感器。具体研究内容如下:(1)基于TiO2反蛋白石光子晶体的高灵敏自发光传感器。通过垂直沉降法,以聚苯乙烯微球自组装制备的蛋白石模板为基底,煅烧生成具有3D有序大孔结构的TiO2反蛋白石。由于反蛋白石光子晶体表面积大、电子传输速度快,催化K2S2O8生成SO4·-,SO4·-和TiO2·-发生湮灭反应,得到激发态TiO2*。TiO2*再回到基态后产生发光。而H2O2具有强氧化性,与自由基离子反应,使湮灭反应中断,发光减弱,实现H2O2灵敏检测。(2)制备一种基于TiO2反蛋白石的超灵敏ECL生物传感器用于PSMA检测。一方面TiO2反蛋白石比表面积大,为高负载材料,且其表面富含氧空穴,催化生成自由基;另一方面光子晶体增强发光体的光散射,提高传感器的灵敏度。将免疫分析与光子晶体基底相结合,在反蛋白石结构上构建夹心型免疫传感器。通过前列腺膜抗原二抗(PSMA-Ab2)末端连接辣根过氧化物酶(HRP),与检测液中的H2O2发生催化反应,影响传感器的ECL信号,实现对PSMA的灵敏检测。(3)制备双极电极电致化学发光(BPE-ECL)生物传感器。选用闭合双极电极,传感端和发光端被分离,避免背景光信号干扰。Ru(bpy)32+/TPr A作为发光体系,通过葡萄糖氧化酶与葡萄糖反应生成H2O2,得电子生成自由基,提高检测体系电子转移速率,激发态Ru(bpy)32+*数量增多,检测体系的ECL强度增大,实现对汗液中的葡萄糖的灵敏检测。为进一步增强ECL,在电极表面负载TiO2反蛋白石,提高传感器检测性能。(4)基于SiO2纳米膜的ECL传感器。选用垂直沉降法在ITO玻璃表面自组装形成SiO2纳米膜,通过控制SiO2微球浓度,在ITO表面形成层数不一的纳米膜。由于SiO2纳米膜具有光散射的作用,在Ru(bpy)32+/TPr A体系下比较不同浓度制备的SiO2纳米膜对ECL增强效果,优化检测环境。同时,制备Janus-Au-SiO2微球,利用其不对称性产生的局域表面等离子体共振(LSPR)增强ECL。
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