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1、 王菁2014 10 现代仪器分析 ContemporaryInstrumentAnalysis 电致化学发光electrochemiluminescence 2 Contents 电致化学发光的基本概念 电致化学的材料 纳米材料半导体纳米材料 基于半导体纳米的电致化学发光生物传感器 总结 3 1 电致化学发光 ECL 电致化学发光 ECL 是通过在电极上施加一定波形的电压或者电流信号进行电解产物之间或与体系中共存组分反应产生化学发光的现象 是电极产物之间或产物与体系中某组分进行化学反应所产生的一种光辐射 是将电化学和化学发光结合起来的一种分析技术 4 ECL发射材料 无机金属配合物 如Ru
2、bpy 32 及其衍生物 有机ECL发射材料 如多聚芳香化合物及其衍生物 鲁米诺 半导体纳米晶 如CdS CdSe CdTe 2 电致化学发光材料 5 氧化态与还原态自由基离子之间发生湮灭反应 R e R R e R R R R RR R h 电致化学发光的原理 电极产物同溶液中氧化还原剂发生电子转移反应 A e A A e A A R A OA O A R 6 2 1 无机金属配合物 钌联吡啶 7 量子森林 复色量子点 量子点纳米管 量子点纳米晶体 纳米材料 8 石墨烯半导体量子点 量子点感光元件 石墨烯半导体量子点 量子点半导体 纳米材料 9 人类认识自然的尺度范畴 宇观尺度 距地球最远星
3、系约220亿光年宏观尺度 肉眼可见范围 约10 4m以上介观尺度 包括微米 亚微米 纳米和团簇原子原子核尺度 10 15m 10 10m基本粒子尺度 10 19m 包括夸克 轻子 10 纳米材料的定义 纳米材料是指材料的基本结构单元至少有一维的特征尺寸介于1 100nm 并由于纳米尺寸效应 nanoscalesizeeffect 表面 界面效应 surface interfaceeffect 和量子限域效应 quantumconfinementeffect 而表现出奇异的 不同于相应的体材料所具备的物理或化学特性的材料或材料体系 纳米材料被认为是 21世纪最有前途的材料 而成为近二三十年的研究
4、热点 11 12 2 3半导体纳米晶 nanocrystals NCs 又可称半导体纳米粒子 nanoparticles NPs 量子点 quantumdots QDs 少量原子构成三维尺寸都在100nm以下 准零维的纳米材料单量子点 Au Pd Co等 族 CdSe CdTe ZnS MgSe等 族 GaAs InAs GaSb等 族 SiC SiGe 族 Si Ge 族 PbSe 13 14 能带宽度 量子点的发光原理 15 图为长颈瓶中不同尺寸的硒化镉量子点在紫外线的照射下发出荧光 同样的在其他方式的激发下 也有很好的发光效果 图 量子点的发光谱 可以看出 700nm波长为一个分界线 小
5、于700nm是发光为可见光 超过700nm为红外光 实验室常用为550nm和620nm 16 17 18 19 20 21 半导体纳米晶在生命分析中的应用 1 生物大分子之间的荧光探针识别 2 荧光标记与细胞成像 3 生物组织的荧光成像和活体观察 4 基于荧光能量转移的QDs在生物大分子相互作用中的应用 5 QDs用于电化学分析传感中 22 1 生物大分子之间的荧光探针识别 23 24 2 细胞荧光标记与成像 a Absorbancespectra b Emissionspectra c differentcolorsofQDs d imagingofthesamecelllabeledwit
6、hdifferentQDs 25 3 生物组织的荧光成像和活体观察 量子点在体成像 a 量子点动物活体实验流程 b 量子点在活体动物内的多色标记成像 26 4 27 基于荧光能量转移的QDs在生物大分子中的应用 28 5 生物芯片 生物芯片技术在基因型的检测上具有高通量 快速 方便及试剂用量少的优点 Parak等用SMCC将表面带有巯基的 能发射不同荧光的硅烷化QDs与氨基修饰的不同单链DNA偶联 将其与固定在玻片表面的DNA进行杂交后洗去不结合的DNA 用荧光落射显微镜观察发现 当玻片上的DNA与QDs偶联的DNA互补时 可以观察到QDs荧光出现在玻片上 不互补的则观察不到荧光信号 从而能实
7、现高通量 快速检测DNA 29 QDs的电致化学发光原理 阴极ECL hv S2O82 H2O2O2 hv 阳极ECL Bard A J etal Stru Bond 2005 118 1 30 在电化学发光的研究中 通过化学修饰的方法将直接或间接参与化学发光反应的试剂固定在电极上而构建的一类实验装置称为电致化学发光 ECL 传感器 分类 免疫传感器 酶传感器和DNA传感器等 特点 灵敏度高 线性范围宽 选择性好 开发半导体纳米晶的ECL特性 发展新型的ECL生物传感器 具有非常重要的意义 3 电致化学发光 ECL 生物传感器 31 32 33 3 1 CdSe Co纳米晶的制备 阳极电致化学
8、发光行为及其对碱性磷酸酶的检测 研究出发点 基于半导体纳米晶的阴极ECL有较多的研究 由于半导体纳米晶在阳极ECL发光较弱 限制了其在阳极的分析应用 在单纯的半导体纳米晶材料内部引入磁性过渡金属离子可以获得独特光 电 磁性质 34 CdSe Co纳米晶的XRD表征 特征衍射峰对应着CdSe的 111 220 和 311 晶面立方闪锌矿结构 尺寸约为4 4nm 35 CdSe Co纳米晶的TEM HRTEM和EDS表征 掺杂与未掺杂纳米晶粒径相当 约为4 0 5nm6 91keV处出现Co的特征峰 36 CdSe Co纳米晶的XPS表征 磁性Co2 离子成功地掺杂进入主体CdSe纳米晶的表面 3
9、7 CdSe Co纳米晶的紫外吸收和荧光发射谱图 Co2 掺杂没有明显改变母体CdSe的带隙宽度 530nm 525nm Co2 的掺杂能调整CdSe纳米晶的能带结构575nm Co2 的掺杂能提高CdSe纳米晶的表面缺陷 38 CdSe Co纳米晶的阳极ECL行为 Co2 为2 时 ECL强度最大 是未掺杂纳米晶发光的2 8倍 Co2 为5 时 ECL强度下降 大掺杂浓度会引起纳米晶表面态辐射复合效率的大幅降低 39 40 ECL条件优化 41 42 CdSe Co纳米晶阳极ECL发光对ALP的检测 检测线性范围 0 5nM 10nM 检测限 0 1nM 43 采用共沉淀法制备了Co2 离子
10、掺杂的CdSe Co纳米晶 这种掺杂材料在三正丙胺作共反应剂的条件下具有良好的阳极ECL发光行为 本章小结 此材料可以用来构建阳极ECL生物传感膜 扩大阳极ECL生物分析的应用 44 3 2 基于生物催化沉淀高效淬灭CdS纳米晶薄膜的电致化学发光 研究出发点 传统型电子传递的ECL生物传感器淬灭途径通常无法实现显著的信号降低 生物催化沉淀 BCP 产生非导电性物质 沉积于电极表面 沉淀物阻止了电子传导 将BCP与ECL技术结合起来 为ECL生物分析及生物传感器的设计提供一个新思路 45 基于生物催化沉淀的ECL生物传感器组装及检测示意图 46 CdS纳米晶的吸收光谱与TEM图 UV 470nm
11、计算粒径为5 17nm与TEM图一致 47 绝缘效应对ECL的影响 绝缘覆盖层的形成大大抑制了K2S2O8向电极表面的迁移速率 使ECL信号显著降低 48 ECL生物传感器的表征 AFM 生物催化沉淀反应的发生形成一个覆盖层EIS 绝缘层能够有效的阻碍氧化还原探针向电极表面的扩散 49 ECL生物传感器实验条件的优化 BCP温育时间 10min HRP固定时间 2h 50 ECL生物传感器的分析性能 检测线性范围 1 0 10 10M 1 0 10 6M 检测限 4 10 11M 51 实际样品分析 对含有不同浓度H2O2的雨水 消毒剂和隐形眼镜药水三种实际样品进行了分析 实际样品的回收率在9
12、7 00 到104 00 之间 aRSD relativestandarddeviation n 3 bsamplesdiluted108times 52 本篇小结 首次论证了将BCP与ECL相结合用于发展高效淬灭型的ECL生物传感器的可能性 由于许多酶都可以诱导生物催化沉淀反应发生从而产生不溶性的绝缘物质 因此本工作所提出的方案是一种较普遍的方法用以发展高效淬灭型ECL生物传感器 53 3 3 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 研究出发点 ECL信号是来自于纳米晶和ECL共反应剂之间的电子转移反应 加速电子传递过程能够提高信号 石墨烯是一种优良
13、的碳材料 而K掺杂石墨烯比与未掺杂石墨烯能更有效地促进了电荷传递 DNA结合蛋白在细胞过程如 转录 复制 结合和修复中起了很重要的作用 TATA结合蛋白 TBP 是一种普遍存在的转录因子 54 ECL生物传感器组装及检测示意图 55 SiO2 CdS DNA复合材料的表征 UV 470nmCdSNCs260nmDNATEM 大量CdSNCs成功的修饰在SiO2粒子ECL 信号增强了约7倍 56 K 掺杂石墨烯的表征 TEM K 石墨烯保持了石墨烯的二维结构形态 且具有高的表面积和体积比CV K 石墨烯能够有效地增加电极面积和加快电子传递 57 ECL生物传感器的表征 K 石墨烯提高ECL信号约
14、2 3倍TBP的结合 1 增加空间位阻 2 抑制DNA调控的电子传递效应 a K GRb anchoringcompsitec BSAblockingd incubatingTBPe usingGR 58 ECL生物传感器的稳定性 一个月之后 保留了约93 8 的信号强度 59 ECL生物传感器的分析性能 检测线性范围 0 2nM 100nM 检测限 0 02nM 对目标蛋白TBP具有良好的检测选择性 60 本篇小结 将K 石墨烯能够有效提高电子传递速率的能力和SiO2纳米粒子能够大量负载CdS纳米晶的两种放大作用相结合 显著放大ECL发光强度 以此为基础构建了的ECL生物传感器 可对TBP实
15、现高度灵敏的检测 此方法可为研究DNA结合蛋白提供一种可行的分析技术 61 3 4 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 研究出发点 半导体纳米晶临近的金属纳米粒子能够的影响半导体纳米晶的荧光性质 而ECL性质同样也会被附近的金属纳米粒子所影响 利用AuNPs表面等离子体共振 SPR 诱导半导体纳米晶增强荧光发射已经是一种灵敏的分析技术 但是这种SPR诱导增强ECL的研究还鲜有报道 62 ECL适配体传感器组装及检测示意图 63 适配体传感器的ECL增强原理 ECL有约5倍的增强 ECL信号增强不是来自于增加的电子传递速率也不是由于复合物与共反应剂之间的相互作
16、用 而是由于CdS和Au之间的能量转移产生的 64 ECL光谱 ca 510nm 组装之后 ECL的发光强度整体增强 550 580nm的增加明显表明AuNPs的存在的确能增大纳米晶的ECL发光PL强度也较原来的有6 3倍的增强 CdSNCs的光谱表征 65 影响ECL信号增强的因素 66 ECL适配体传感器对凝血酶的检测 检测线性范围 100aM 100fM 检测限 26aM 以往报道的ECL检测凝血酶的方法要灵敏很多 67 ECL适配体传感器的稳定性和选择性 68 利用ECL激发的AuNPs表面等离子体共振能量转移来实现CdS纳米晶ECL信号的5倍增强 并基于这种增强信号构建了ECL适配体传感器 对凝血酶实现了超灵敏的检测 本篇小结 本研究对金属纳米粒子SPR增强纳米晶ECL作用有了进一步的理解 也为发展新型能量转移型的ECL传感器设计提供了可能 69 3 5 基于CdS纳米晶与Au纳米粒子之间的电子和能量传递的协同效应检测DNA结合蛋白 研究出发点 加速纳米晶和ECL共反应剂之间的电子转移过程能够提高ECL信号 金属纳米粒子的SPR也能增强纳米晶ECL发射 利用Au纳米粒子在半导
