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电致化学发光(Electrogenerated chemiluminescence,ECL)是将电化学和化学发光结合起来的一种分析方法,是一种已经在多个研究领域得到广泛应用的分析技术。半导体纳米晶体(又称量子点)因其独特的荧光特性和良好的生物相容性而广泛应用于生物标记和生物传感器中。同荧光分析相比,ECL分析法通过电化学控制,不需激发光源,背景小、灵敏度高、线性范围宽、重现性与选择性好,在生物分析和化学分析中具有自己独特的优势。然而,有关半导体纳米晶体ECL的研究还相对比较少,而且大多是在有机体系中。因此,进一步探究半导体纳米晶体在水溶液中的ECL,发展新型的纳米晶ECL生物传感器,对于拓展纳米晶在生物分析中的进一步应用具有非常重要的意义。本文结合本实验室在纳米材料的ECL分析和生物传感器等方面的工作基础,研究了CdS及CdSe等半导体纳米晶在水溶液中的ECL行为,将生物技术、纳米技术和ECL检测技术有机结合起来,发展了一系列纳米晶ECL生物传感器,其内容如下:
1.CdS纳米管在水相中的电致化学发光及其传感应用利用CdS纳米管修饰碳糊电极表面提供的油/水界面,研究了CdS纳米管在水体系中的电致化学发光行为。在0.1 M的磷酸缓冲溶液中(pH8.0,含有0.1 MKCl和0.01 M K2S2O8),分别在-0.9 V(ECL-1)和-1.2 V(Ecl-2)观察到两个电致化学发光峰。固定在碳糊中的CdS纳米晶通过电化学氧化或还原形成氧化态自由基离子或还原态自由基离子,氧化态自由基离子与还原态自由基离子发生碰撞产生ECL-1;或者还原态自由基离子和共反应物(如K2S2O8,H2O2和溶解氧)之间发生电子转移反应,产生ECL-2。基于共反应物H2O2对CdS纳米晶ECL-2的增强效应,研制了一种新型的电致化学发光传感器,用于H2O2的测定。检测的线性范围为0.5μM～0.01 mM,检测限为0.1μM。另外,用电位阶跃的方法研究了CdS纳米管的电化学发光光谱,分别在500 nm和640 nm观察到两个光谱峰。该ECL传感器简单、快速,在生物分析和环境分析中具有很大的应用潜力。
2.CdS纳米晶体的电致化学发光与生物传感利用巯基乙酸(RSH)作稳定剂,合成了水溶性CdS纳米晶体(CdS NCs)。研究了CdS纳米晶在水溶液中的电致化学发光行为。CdS纳米晶电化学还原后与共反应物K2S2O8作用,产生较强的电致化学发光。利用自组装方法结合纳米金放大技术,将CdS纳米晶修饰于金电极上,研制了一种新型的ECL生物传感器,用于低浓度脂蛋白(LDL)的检测。利用循环伏安法,电化学阻抗和原子力显微镜图对传感器的组装过程进行了表征。当apoB-100与LDL特异性结合后,ECL强度降低,并在0.025～16 ng mL-1范围内与LDL的浓度成线性关系,检测限是0.006 ng mL-1。CdS纳米晶电化学发光强、生物相容性好,而纳米金的放大作用能够为固定apoB-100提供更多的结合点,提高了检测的灵敏度。因此,该ECL生物传感器快速、灵敏,具有良好的选择性和稳定性,在生物分析和临床检测中具有很大的应用潜力。
3.CdSe量子点的电致化学发光与免疫传感研究了CdSe量子点(QDs)在水溶液中的电致化学发光行为。通过层层组装技术结合纳米颗粒的放大效应,将CdSe QDs和抗体直接固定在电极上,构建了一种非标记型电致化学发光免疫传感器,用于人的前白蛋白(PAB)的检测。该免疫传感器的构建过程通过电化学阻抗谱(EIS)和扫描电子显微镜(SEM)进行了表征。当免疫反应发生后,由于生成的免疫复合物抑制了CdSe QDs与共反应物KES2Os之间的ECL反应,降低了ECL度,基于此可以通过ECL检测PAB的浓度。检测的线性范围是5.0×10-10 g mL-1～1.0×10-6 g mL-1,检测限是1.0×10-11g mL-1。该ECL免疫传感器响应速度快、灵敏度高、稳定性好,在生物分析中具有潜在的应用价值。
4.CdSe纳米复合物的电致化学发光及其免疫传感器通过混合CdSe纳米晶(NCs)与碳纳米管-壳聚糖(CNTs-CHIT)制备了一种新型的纳米晶复合材料。该材料具有极强的电化学发光和良好的生物相溶性,并用以修饰金电极,研制了一种非标记型电化学发光免疫传感器,对人的免疫球蛋白(HIgG)进行灵敏的检测。首先将CdSe NCs/CNT-CHIT复合物溶液滴在金电极上形成一种坚固的膜。然后,将3-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)作为偶联剂共价键合到该膜上,再通过戊二醛固定抗体。当免疫反应发生后,ECL强度降低,并与抗原的浓度在0.02～200ngmL-1范围内成线性关系,检测限是0.001 ngmL-1。研究发现APS能够极大地增强纳米晶的ECL强度,该方法为增强纳米晶ECL和探索新的ECL复合材料开辟了新的方向,拓展了纳米晶ECL在生物分析领域中的广泛应用。该ECL免疫传感器迅速、方便、灵敏,具有良好的稳定性和重现性,是生物分析和临床检验中很有潜力的检测技术。