基于电化学发光成像技术的化学传感器研究

摘要

随着人们对食品安全、环境保护和临床诊断等领域的日益关注，发展灵敏度高、通用性广以及操作便捷的分析方法和分析装置显得尤为迫切，电化学发光(ECL)技术的迅猛发展为此提供了良好的契机。电化学发光是由电化学反应控制的化学发光，因此它既具备化学发光分析灵敏度高、线性范围宽的优势，又具备电化学反应时空可控、操作简便等特点。此外与高效液相色谱（HPLC）及毛细管电泳(CE)等分离技术的联用，还能弥补电化学发光自身选择性差的缺陷，进一步扩展了该方法的研究和应用范围。
　　电化学发光成像是近年来电化学发光领域快速崛起的一种新技术。有别于传统的强度信号(通过光电二极管或倍增管(PMT)采集），电化学发光成像技术获得的是电极表面发光的图像信号，因此非常适用于高通量阵列分析、电极表面结构的快速表征以及多组分同时检测。本论文以电化学发光成像为检测手段，开展了生物传感阵列分析，以及研究了电极表面有序二氧化硅纳米孔道薄膜对发光的增强效应。论文共分为四章:
　　第一章简要介绍了电化学发光成像技术的发展及优势;主要阐述了Ru(bpy)32+/TPrA和鲁米诺/过氧化氢电化学发光体系的反应机理;总结了电化学发光成像技术在电极表面活性表征、新发光体系研究以及分析化学等领域的应用。
　　第二章构建了一种可用于葡萄糖、胆碱和乳酸检测的电化学发光生物传感阵列芯片。该阵列传感器由一片刻有“轮子”型图案的氧化铟锡(ITO)导电玻璃基底和六块聚二甲基硅氧烷(PDMS)盖片构成，并且芯片的工作电极表面修饰有氧化酶/碳纳米管/壳聚糖复合物膜。测定前，将含鲁米诺的不同浓度待测样品依次滴入六个微液池内。在施加合适的驱动电压后，鲁米诺与酶促生成的过氧化氢的电化学发光反应就会被触发。产生的发光信号由阵列传感芯片上方的电荷耦合装置(CCD)捕获。实验结果表明，在一定范围内，葡萄糖、胆碱和乳酸三种底物的浓度与对应光强之间均有较好的线性关系，所得最低检出限依次为0.014 mM，0.097 mM以及0.040 mM。另外，通过将三种氧化酶固定在ITO玻璃基底的不同工作电极上，该阵列传感芯片还可实现混合样品中多组分的同时测定。所设计的生物传感阵列芯片具有工作电压低、分析速度快、样品用量少等优势。
　　第三章研究了二氧化硅纳米孔道修饰的ITO电极对Ru(bpy)32+/TPrA体系的电化学发光增强效应。采用St(o)ber溶液生长法制备的二氧化硅纳米孔道阵列高度有序，且孔道垂直于ITO基底表面。由于尺寸效应（孔径为2-3 nm）和电荷效应（当pH＞4时，孔道壁带负电荷），二氧化硅纳米孔道能显著地加快Ru(bpy)32+的传质过程，从而实现发光信号的大幅增强。例如以TPrA为共反应剂时，相比于空白ITO电极，修饰有二氧化硅纳米孔道的ITO电极可使电化学发光强度提高107倍。基于该信号放大效应，少量Ru(bpy)32+（9μM）即可实现胺基类共反应剂的灵敏检测。此外，结合PMT和CCD检测装置分别进行发光现象强度和图像两种方式的采集。实验结果表明，发光信号（强度值或者是图像灰度值）与每种共反应剂在特定浓度范围内有着良好的线性关系，所得检测限均可达到纳摩尔级。有序二氧化硅纳米孔道修饰电极的制备简单、价格低廉，不仅可以极大地增强电化学发光强度、增加分析灵敏度，同时还能够减少发光试剂的消耗、降低检测成本，一举两得。
　　最后论文对研究工作进行了总结，同时也尝试对电化学发光成像技术的发展趋势进行了简要展望。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 常见的电化学发光成像体系及机理

1．2．1 三联吡啶钌／共反应剂体系

1．2．2 鲁米诺／过氧化氢体系

1．3 商品化的ECL成像仪器

1．4 ECL成像在电极表面活性和新发光体系研究中的应用

1．4．1 ECL成像在电极表面活性位点和结构表征中的应用

1．4．2 ECL动力学和机理的研究

1．4．3 多色电化学发光成像

1．4．4 微／纳粒子的电化学发光成像

1．4．5 电致光孤子波

1．5 成像技术在分析化学中的应用

1．5．1 免疫分析

1．5．2 基因毒素的筛选

1．5．3 酶生物传感器

1．5．4 基于光纤束的电化学发光阵列

1．5．5 成像技术在微流体纸芯片和双极电极体系中的应用

1．5．6 成像技术在指纹分析中的应用

1．6 论文选题意义和设计思路

第二章 电化学发光生物传感阵列芯片的构建

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂与材料

2．2．2 仪器与设备

2．2．3 氧化酶／MWCNTs／CS混合液的配置

2．2．4 GOD／MWCNTs／CS／ITO电极的制备

2．2．5 ITO-PDMS生物传感阵列芯片的制备

2．2．6 电化学表征和电化学分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 生物传感阵列芯片的检测原理

2．3．2 GOD／MWCNTs／CS复合膜的电化学和电化学发光性质表征

2．3．3 基于GOD／MWCNTs／CS／ITO电极的条件优化

2．3．4 GOD／MWCNTs／CS／ITO电极在葡萄糖检测中的应用

2．3．5 生物传感阵列芯片在葡萄糖、乳酸和胆碱检测中的应用

2．3．6 生物传感阵列芯片在多组分混合溶液检测中的应用

2．4 本章小结

第三章 基于高度有序二氧化硅纳米孔道薄膜的电化学发光传感器

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与材料

3．2．2 仪器与设备

3．2．3 SMCs-ITO导电玻璃的制备

3．2．4 SMCs-ITO导电玻璃的表征和电化学发光分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 SMCs薄膜的厚度和孔道形态表征

3．3．2 SMCs薄膜的电化学表征

3．3．3 Ru(bpy)32+／TPrA体系的电化学发光增强效应

3．3．4 Ru(bpy)32+浓度的优化

3．3．5 基于电化学发光强度的TPrA、尼古丁和阿托品浓度检测

3．3．6 基于电化学发光成像的TPrA、尼古丁和阿托品浓度检测

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间取得的科研成果