基于纳米材料的电化学发光和化学发光传感研究

摘要

电化学发光是一种在电极表面产生的，高能电子转移过程中形成的，激发态光子发射过程，是电化学和光谱学的完美结合。不仅具有化学发光法对环境好，灵明度高和动态范围宽，而且还具有电化学方法简单，稳定和实用的特点。此外，电化学发光作为一种光发射技术，其优势超过同类型发光技术如荧光以及化学发光。因此，电化学发光技术作为一种有效的分析方法，在一系列的目标分子的基础或实用性研究方面得到广泛应用。化学发光作为一种强有力的分析技术，具有灵敏度高，检测范围宽，设备要求低以及背景干扰小的优势，被广泛用于包括生物技术，药物学，分子生物学以及环境化学的各种领域。随着纳米材料的快速发展，由于纳米材料独特的电学性质、较大的比表面积、良好的生物相容性等特点，各种纳米材料在生物传感器领域得到了广泛的应用并实现灵敏检测。本文利用纳米材料作为发光材料，或其复合材料构建敏感界面以及信号放大探针等方面进行研究，构建了一系列的灵敏的电化学发光或化学发光生物传感器，主要研究内容如下:
　　（1）构建了一种通过核壳型碲化镉/硫化镉量子点（CdTe/CdS QDs）增强NGQDs量子点电化学发光的传感平台。CdTe/CdS QDs通过加速 NGQDs量子点与超氧阴离子自由基（O2·-）之间作用，进而加速发光激发态（NGQDs*）的形成，从而使NGQDs量子点的阳极电化学发光增强21倍。这种发光体系在均相溶液中进行，无需电极修饰及额外添加任何共反应物。这种简单而方便的电化学发光方法被用于检测抗坏血酸，线性范围为100nM~100μM，检测为70nM。并且具有良好的稳定性，可操作性和实用性，显示出广泛的实际应用潜力。此部分工作见于本论文的第二章。
　　（2）构建了一种具有双电位电化学发光性质的比率型传感方法用于钴离子检测。通过切割氮掺杂的氧化石墨烯（NGO）合成 NGQDs量子点，作为电化学发光团在溶解氧的作用下，在正电位和负电位能发射两个电化学发光信号。该研究还对双电位电化学发光的相应机制进行了详细的探讨。另外， Co2+离子存在条件下，能显著增强 NGQDs量子点的阳极电化学发光强度（放大约15倍），并猝灭其阴极电化学发光。基于 NGQDs量子点两个电化学发光信号的强度比，我们开发了一种基于Co2+离子的比率型传感器，并且用于实际水样中的Co2+离子检测。NGQDs作为单电化学发光团，具有多个电化学发光信且无需标记和修饰，比率型的数值分析方法能提供更可靠的信号，扩展了单发光体双电位电化学发光在传感上的应用。该部分工作见于本论文的第三章。
　　（3）辅酶 A（CoA）含有的巯基基团作为配体与 Ag+相互作用制备 CoA-Ag配位复合物。CoA另一端的类腺嘌呤结构使得 CoA-Ag具有类似 RNA性质，通过π-π堆叠作用力与石墨烯基底牢固的结合被修饰在电极表面。我们发现CoA-Ag复合物能有效的电化学催化 H2O2还原，不但显著增强 CdTe@CdS量子点的阴极电化学发光信号强度，而且电化学发光增强程度与 CoA-Ag量存在一定的关系。通过辅酶A底物浓度与CoA-Ag复合物质之间的联系与电化学发光信号增强程度的信号转换，构建了一种免标记检测乙酰辅酶A的电化学发光传感方法。同时利用乙酰转移酶催化底物产生辅酶A并与 Ag+形成 CoA-Ag复合物原理，实现电化学发光信号与乙酰转移酶浓度的关系转换，构建一种电化学发光检测乙酰转移酶p300活性的传感方法，并用作乙酰转移酶抑制剂筛选。本部分工作见于本论文的第四章。
　　（4）合成了氮掺杂石墨烯量子点（NGQDs），并证明该量子能作为发光核，被 H2O2直接氧化产生化学发光。然后，揭示了 Cu2+离子对能够高效而特异性的增强NGQDs/H2O2系统的化学发光强度。Cu2+/NGQDs/H2O2系统化学发光衰减缓慢且强度大，在化学发光成像传感方面显示出良好的应用潜力。本研究详细讨论了Cu2+离子增强NGQDs/H2O2系统化学发光的机理，并作为传感模型用于化学发光成像分析。基于抗坏血酸（AA）对自由基的清除能力，将 Cu2+/NGQDs/H2O2系统用于 AA定量检测成像分析，并应用于水果中的 AA含量检测。本研究不仅制备了一种光学探针用于化学发光成像，同时也揭示了Cu2+特异性增强化学发光系统亮度的基本原理。NGQDs作为一种绿色的纳米发光材料，将有可能成为一种理想物质应用于化学发光成像和生物传感。这部分工作构成本文的第五章。

目录

声明

第1章 绪论

1.1电化学发光生物传感方法

1.2纳米材料在电化学发光传感中的应用

1.3化学发光简介

1.4纳米材料化学发光生物传感

1.5纳米材料在化学发光生物传感器中的应用

1.6 本文构思

第2章 CdTe/CdS量子点增强的阳极电化学发光系统用于水果中抗坏血酸检测

2.1前言

2.2 实验部分

2.3结果与讨论

2.4小结

第3章 基于氮掺杂石墨烯量子点的单发光体双信号电化学发光比率型钴离子传感

3.1前言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4小结

第4章 CoA-Ag配位复合物催化增敏的电化学发光检测辅酶A及乙酰转移酶活性

4.1前言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4小结

第5章 基于氮掺杂石墨烯量子点持续性化学发光系统的抗坏血酸成像分析传感

5.1 前言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢