铱配合物纳米材料在电致化学发光分析中的应用

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电致化学发光(ECL)是一种结合电化学和化学发光而发展起来的新型分析技术,具有简单,快速,灵敏,可控性强等优点,在食品、环境、药物和临床分析等领域已得到广泛研究和应用。性能优异的ECL发光体是实现ECL灵敏分析的关键。铱(III)配合物具有高的量子产率,可调的发光波长,良好的氧化还原稳定性和长的发光寿命,在ECL领域已显示出巨大的发展前景。但其在水溶液中有限的ECL发光强度和差的水溶性限制了其应用。空间限域聚集诱导ECL(AIECL)和羧基功能化策略是改善ECL发光体在水溶液中的ECL性能及水溶性的理想策略,为克服铱(III)配合物在ECL领域的应用局限提供了方向。阿尔茨海默症(AD)是一种由慢性中枢神经系统变性引起的神经退行性疾病,对人体健康造成巨大威胁。β淀粉样蛋白寡聚物(AβO)作为AD的特异性生物标志物之一,实现其灵敏检测对AD的诊断和治疗具有重要意义。有机磷农药(OPs)是农业生产中常用农药之一,其残留对食品、水及环境会造成很大污染,严重威胁着人类的饮食安全和身体健康。OPs的快速和准确检测对保护生态环境和人类健康有着重要价值。本论文通过AIECL及功能化策略制备了ECL性能优越的铱(III)配合物纳米材料,以其为ECL发光体构建了基于单信号及双信号比率策略的三种生物传感器实现对AβO及OPs的灵敏检测。主要工作如下:(1)铱配合物空间限域聚集诱导电致化学发光用于生物分析本工作设计并制备了具有有序孔结构和大孔隙率的杯芳烃多孔配合物(SWU-1),进一步利用其提供的空腔微环境实现三(2-苯基吡啶)铱(III)(Ir(ppy)3)的空间限域聚集诱导ECL(AIECL),以显著改善铱(III)配合物在水溶液中的ECL效率和分散性。具体来说,Ir(ppy)3单体作为客体分子进入SWU-1的空腔,制备得到具有规则纳米圆柱结构(NCYLs)的空间限域AIECL发光体。在共反应剂三丙胺(TPr A)存在下,相较于Ir(ppy)3单体,所制备的Ir@SWU-1 NCYLs的阳极ECL信号提高了16倍,而且在水介质中具有优异的分散性。本工作以Ir@SWU-1 NCYLs为AIECL发光体,结合核酸扩增策略构建生物传感器。首先将Ir@SWU-1 NCYLs与聚乙烯亚胺的复合物修饰于玻碳电极表面,组装铂纳米颗粒和发夹H2。此时引入过氧化氢(H2O2)以高效猝灭ECL信号。当目标物β淀粉样蛋白寡聚物(AβO)存在时,目标物循环被触发,释放的单链S1引发链置换扩增(SDA)反应。SDA反应输出的单链ST打开电极表面的发夹H2,引发滚环扩增(RCA)反应,从而产生大量富含G碱基的长链,其捕获血红素(hemin)形成hemin/G-四链体。由于hemin/G-四链体能消耗H2O2,从而使ECL信号增强以实现对AβO的灵敏检测。本工作开发了一种新型的基于多孔配合物的空间限域AIECL策略,具有高ECL效率和优异分散性的Ir@SWU-1 NCYLs为生物分析提供了灵敏的ECL传感平台。(2)基于铱纳米棒和硫化镉量子点构建比率型ECL生物传感器检测有机磷农药本工作利用聚(苯乙烯-马来酸酐)(PSMA)羧基功能化Ir(ppy)3,制备得到水分散性好且ECL强度高的铱纳米棒(Ir NRs)。以Ir NRs和硫化镉量子点(Cd S QDs)分别作为阳极和阴极发光体,开发了一种灵敏的双信号复合纳米探针(Ir NRs@Cd S QDs)。以Ir NRs@Cd S QDs作为基质固载酶,构建ECL比率型生物传感器用于有机磷农药(OPs)的检测。没有目标物OPs时,酶促反应产生的H2O2能作为双功能调控因子,增强Cd S QDs的阴极信号而猝灭Ir NRs/TPr A的阳极信号。存在OPs时,其抑制酶活性进而阻止H2O2的产生,从而使阴极信号减小而阳极信号增大。基于两ECL信号的相反变化实现对OPs的灵敏检测。Ir NRs在水溶液中优异的分散性和高的ECL效率扩展了铱(III)配合物在ECL领域的应用。H2O2对Ir NRs@Cd S QDs两ECL发射的相反作用为生物分析提供了一个新颖的比率型ECL平台。(3)基于双发射铱纳米棒构建比率型ECL生物传感器检测β淀粉样蛋白寡聚物本研究探索了以PSMA为功能化试剂调制铱配合物的双极ECL发射。所制备的Ir NRs分别以N,N-二异丙基乙二胺(DPEA)和过硫酸根(S2O82-)作为阳极和阴极的共反应试剂,在+0.9 V和-2.0 V下检测到强的双极ECL发射。同时,开发了银纳米粒子(Ag NPs)作为双功能共反应促进剂,同时促进Ir NRs的双极ECL发射。结合双ECL发射的Ir NRs与双功能共反应促进剂Ag NPs构建了基于单发光体的ECL比率策略,用于检测β淀粉样蛋白寡聚物(AβO)。存在目标物AβO时,Mg2+依赖的DNAzyme驱动的双足DNA步行器被解锁以剪切固定在磁珠表面的单链S1,从而产生大量单链ST。输出的ST剪切被电极上修饰的Ir NRs捕获的发夹H1以产生大量单链,从而引发Ag NPs标记的发夹H2和Ag NPs标记的发夹H3之间的杂交链式反应(HCR),进而将大量的Ag NPs引入到电极表面。由于Ag NPs对Ir NRs双极ECL发射表现出不同的增强作用,实现了对AβO的ECL比率检测。双ECL发射的Ir NRs与双调控作用的Ag NPs的巧妙结合为生物分析提供了一个新颖的基于单发光体的ECL比率传感平台。
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