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环境污染问题一直广受关注,其中重金属离子的严重污染问题是环境问题中不容忽视的,亟待解决的问题之一。目前,检测重金属离子大多基于原子吸收光谱仪等昂贵的仪器设备且前期样品处理繁琐复杂。电致化学发光(ECL)由于灵敏度高、背景信号低等优点,近年来作为一种新兴检测手段受到越来越多的重视。随着纳米科技的发展,纳米材料因具有大比表面积、优异的生物相容性以及独特的光电性能等优点,已经广泛应用于ECL传感领域。吡啶钌(Ru(bpy)32+)作为常用的ECL发光体,其传统的共反应剂三丙胺毒性大且易挥发,开发基于纳米材料的新型ECL共反应剂迫在眉睫。利用环境友好的新型ECL体系构建传感器检测重金属离子可避免对环境的二次污染,并实现对重金属离子的选择性检测。本论文利用碳三氮四(g-C3N4)、银纳米簇(DNA-Ag NCs)和共价有机框架(COF)等纳米材料,研究了钌、铱复合物的新型环境友好的阴极共反应剂,构建了不同的电化学发光传感平台,用于环境水样中Hg2+和亚砷酸根(As(Ⅲ))的分析检测。主要研究内容如下:1、提出一种基于碳三氮四纳米片(g-C3N4 NSs)和DNA-Ag NCs之间的电致化学发光能量共振转移(ECL-RET)效应并结合Hg2+与T碱基的特异性识别作用的“开-关-开”型ECL生物传感器构建方法,用于高灵敏和选择性检测Hg2+。首先,将g-C3N4 NSs和壳聚糖(CS)修饰在玻碳电极表面,g-C3N4 NSs在K2S2O8共反应剂中有强阴极ECL信号,为信号“开”的状态。进而将羧基修饰的捕获DNA(cDNA)通过酰胺反应修饰在电极表面,DNA-Ag NCs与cDNA通过A-T碱基的互补杂交进一步修饰到电极表面,从而拉近了 g-C3N4 NSs与DNA-Ag NCs之间的距离,g-C3N4 NSs和DNA-Ag NCs之间发生ECL-RET,使得g-C3N4 NSs的阴极ECL强度下降,呈现信号“关”的状态。当Hg2+存在时,DNA-Ag NCs的游离核苷酸片段中的T碱基可以与Hg2+结合,通过N-Hg2+-N键构成稳定的T-Hg2+-T复合物,该结构比DNA双链中基于氢键的A-T碱基对更紧密,使得DNA-Ag NCs不能被修饰到CS/g-C3N4/cDNA电极表面,从而导致g-C3N4 NSs的阴极ECL强度恢复,再次呈现“开”的状态。据此构建了“开-关-开”型ECL生物传感器,实现了对环境水样中Hg2+的灵敏性和选择性检测。2、首次发现金纳米粒子功能化g-C3N4 NSs(Au-g-C3N4 NSs)修饰玻碳电极可作为Ru(bpy)32+的阴极ECL共反应剂并增强其阴极ECL信号强度,提出一种基于Au-g-C3N4/GCE-Ru(bpy)32+的ECL新体系,构建了比率ECL方法检测Hg2+。负载在g-C3N4 NSs表面的AuNPs可以催化Ru(bpy)32+在阴极的还原,生成更多的Ru(bpy)3+,并且溶解氧在负电位下生成活性氧物质,氧化Au-g-C3N4 NSs产生氧化性的Au-g-C3N4NSs自由基,Ru(bpy)3+与强氧化性Au-g-C3N4NSs自由基反应生成激发态的Ru(bpy)32+*,极大增强了 Ru(bpy)32+的阴极ECL信号。以Au-g-C3N4 NSs作为Ru(bpy)32+的阴极ECL共反应剂,当Hg2+存在时,在阴极电位下Hg2+在Au-g-C3N4 NSs表面生成金汞齐,从而抑制了 Au-g-C3N4 NSs对Ru(bpy)32+还原的催化,并消耗了生成的活性氧,使得Ru(bpy)32+的阴极ECL信号减弱;同时,Hg2+还能提高Au-g-C3N4/GCE-Ru(bpy)32+体系的阳极ECL效率,从而增强了 Ru(bpy)32+的阳极ECL信号,使得Hg2+浓度与Ru(bpy)32+的阳极ECL和阴极ECL强度的比值呈线性关系,实现了无需任何复杂修饰条件下高选择性和灵敏性比率检测Hg2+。3、首次发现含吡啶的共价有机框架(Tp-Bpy COF)可以分别作为Ru(bpy)32+和三联苯基吡啶铱(Ir(ppy)3)的阴极ECL共反应剂,增强Ru(bpy)32+和Ir(ppy)3的阴极ECL,并通过对比实验揭示了增强机理。基于以上现象并结合Ir(ppy)3和Ru(bpy)32+之间的能量共振转移效应以及(GT)29对As(Ⅲ)的特异性识别,构建了双波长比率ECL传感方法用于As(Ⅲ)的超灵敏检测。首先,将Tp-Bpy COF和壳聚糖(CS)的混合溶液滴涂在玻碳电极表面,再将羧基修饰的(AC)29链通过酰胺反应修饰到电极上制得(AC)29/CS/Tp-Bpy COF/GCE。由于Tp-Bpy COF对Ir(ppy)3的共反应剂增强效应,该电极在Ir(bpy)3溶液中呈现强的阴极ECL信号。当没有As(Ⅲ)存在时,(GT)29链和电极表面修饰的(AC)29链互补杂交形成双链,Ru(bpy)32+可通过静电作用嵌入到该双链中,由于Tp-Bpy COF对Ru(bpy)32+的共反应剂增强效应以及Ru(bpy)32+与Ir(ppy)3之间的ECL-RET效应,使得620 nm处Ru(bpy)32+的ECL信号明显增强,而505 nm处Ir(bpy)3的ECL信号明显减弱。当As(Ⅲ)存在时,As(Ⅲ)与(GT)29链特异性结合,(GT)29链不能与(AC)29链互补杂交,导致Ru(bpy)32+不能修饰到电极表面,从而505 nm处Ir(bpy)3的ECL信号恢复,而620nm处Ru(bpy)32+的ECL信号减小。据此,构建了基于共价有机框架的共反应剂效应的双波长比率ECL检测As(Ⅲ)的新方法,根据505 nm处Ir(bpy)3的ECL信号与620 nm处Ru(bpy)32+的ECL信号的比值,实现了对水样中As(Ⅲ)的超灵敏检测。