电致化学发光(Electrogeneratedchemiluminescence,ECL)是由电化学反应引起的化学发光,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(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分析技术通过电化学控制,不需要激发光源,背景信号小、灵敏度高、线性范围宽、重现性和选择性好,在生化分析中具有自己独特的优势。但是,目前在纳米晶膜上构建的生物传感器主要是利用生物大分子对膜ECL过程的阻碍,这在一定程度上限制了可分析物的种类和灵敏度。要在纳米晶膜上实现更多生物样品检测的目标,急需新的检测方法、新原理和新的发光材料。这些新方法的成功开发可以为未来ECL生物分析提供新颖且普遍适用的新路径。本论文结合了实验室在半导体纳米晶的ECL分析和生物传感器等方面的工作基础,通过设计新型电致化学发光系统以及开发新的信号传导机理和新型ECL发光材料,成功建立了多种ECL生物分析新方法,发展了一系列基于半导体纳米晶ECL生物传感器,其内容如下:1.基于生物催化沉淀高效抑制CdS纳米晶薄膜的电致化学发光及其传感应用将生物催化沉淀(BCP)技术引入到半导体纳米晶电致化学发光中,并研究了其中绝缘效应对ECL的影响,找到了一种新的高效电致化学发光(ECL)信号淬灭途径。通过生物催化沉淀反应可以在电极表面形成一个绝缘层,以抑制ECL共反应剂和半导体纳米晶之间的ECL反应,从而显著的抑制其电化学发光。由于形成绝缘效应的程度是与分析物的浓度紧密联系的,因此,在此基础上可成功构建一种新型的ECL生物传感器。以辣根过氧化物酶(HRP)为模型酶,制备了 ECL生物传感器,该传感器对H202具有较高的灵敏度以及较好的检测线性范围,其线性范围为1.0×10-10 M到1.0×10-6M,检测限可到达4×10-11M(S/N=3)。该方法可以扩展到其他的生物分析中,具有很大的潜力。2.钾掺杂石墨烯增强SiO2@CdS复合物ECL发光的研究及其在检测结合蛋白中的应用利用钾掺杂石墨烯优良的传导电子能力结合上SiO2负载CdS纳米复合材料作为ECL发光体,在这个双重放大信号的基础上设计了一种新型的电化学发光生物传感器。并首次运用ECL分析技术对DNA结合蛋白实现了灵敏的检测。钾掺杂石墨烯能很好的保持普通石墨烯的二维结构形态,并且同样具有高的表面积和体积比,还能够更有效地促进电荷传递。将钾掺杂石墨烯通过静电吸附作用混合修饰上链霉亲和素,再将负载有大量CdS纳米晶的SiO2@CdS/DNA复合材料通过生物素-链霉亲和素之间的亲和作用连接在修饰电极上。ECL信号依靠良好的电子传导媒体和发光物数量的提高得到显著的增强放大。但是当有目标蛋白TBP的存在,TBP能够特异性的结合在双链DNA序列上,由于结合蛋白的结合,不仅能增加相应的空间位阻而且也能阻碍了电子沿双链DNA的传递速率,这种协同的抑制效应使得ECL信号大大降低。能够准确、灵敏地检测特定序列的DNA结合蛋白。3. Au纳米粒子增强CdS纳米晶薄膜的电致化学发光及其对凝血酶的超灵敏检测通过Au纳米粒子(AuNPs)增强CdS纳米晶膜的ECL信号的新原理,实现了对凝血酶的超灵敏检测。整个体系的构成是:CdS纳米晶膜作为ECL发光物修饰在玻碳电极(GCE)表面,然后连接上凝血酶的适配体。接着ssDNA-AuNPs复合物通过适配体和它互补的DNA链杂交组装在修饰的电极上,此时由于DNA双链的刚性结构使得CdS纳米晶和Au纳米粒子之间相距约12 nm。因此,体系的ECL强度相对于没有Au纳米粒子存在的情况有5倍的提高,这个现象是由于半导体纳米晶和重金属纳米粒子(MNPs)的表面等离子体之间的远距离相互作用而产生的。我们还研究了影响ECL增强的相关因素如:间隔距离、谱图重叠和磁场作用。将这样的增强信号与适配体对目标蛋白的智能识别作用相结合,以此构建了能够超灵敏检测凝血酶的ECL适配体传感器。由于目标蛋白凝血酶与其适配体的结合能力更强,当有凝血酶存在的情况下,目标蛋白就会使得ssDNA-AuNPs复合物脱落,导致ECL信号的降低。本实验的检测原理可以推广应用到其他许多ECL的生物分析中,具有广阔的应用前景。4.基于CdS纳米晶与Au纳米粒子之间的电子和能量传递协同效应检测DNA结合蛋白阐明了在涉及有CdS纳米晶(CdSNCs)和Au纳米粒子(AuNPs)的电致化学发光(ECL)体系中存在有电子和能量传递的协同效应,并在此基础上构建了放大信号的ECL生物传感器,实现了对DNA结合蛋白的灵敏检测。具体来说,首先用Au纳米粒子修饰电极,接着组装上探针DNA。再将修饰好的电极与事先制备好的SiO2@CdS/DNA复合材料共同杂化,使得两条互补的单链DNA形成双链结构。利用双链DNA作为刚性的间隔体,Au纳米粒子不仅可以作为导体加速电子传递速率而且也可以作为受激体当受到CdS纳米晶发出的ECL刺激时产生表面等离子共振。以此来大大增强CdS纳米晶的ECL发光。但是,这种增强的ECL信号能够被目标蛋白与DNA相互绑定作用所显著的抑制。达到灵敏检测目标蛋白的效果,检测的线性范围为0.015 nM～150 nM,检测限为5 pM。该制备的生物传感器灵敏、响应速度快,具有良好的重现性和选择性的分析性能。5. CdSe:Co纳米晶的制备、阳极电致化学发光行为及其对碱性磷酸酶的检测采用共沉淀法于水相制备了一系列不同掺杂量的Co2+离子掺杂CdSe:Co纳米晶。利用XRD、TEM、HRTEM和EDS对制备的纳米晶材料进行了表征,并利用UV-vis、PL和ECL对掺杂的CdSe:Co纳米晶进行了光学性质的表征。具体研究了 CdSe:Co纳米晶的阳极ECL发光行为,结果表明在三正丙胺作共反应剂的条件下,掺杂Co2+离子量为2%的CdSe:Co纳米晶,具有最强的阳极ECL发光信号,是未掺杂CdSe纳米晶发光的2.8倍。在此基础上构建了 ECL阳极生物传感膜。我们利用碱性磷酸酶催化水解磷酸苯酯盐生成的酚能够抑制其ECL发光的特性,实现了对碱性磷酸酶的灵敏检测,线性范围在0.5 nM到10nM之间。