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当今,功能纳米材料已经被广泛地应用于生物分析领域,例如细胞成像、活体观察、多通道免疫分析和核酸检测等。电致化学发光(electrogenerated chemiluminescence,ECL)作为电化学和化学发光相结合的一门分析技术,也已经实际应用于免疫分析、食品安全和水质监测等领域。ECL发光体通常分为无机体系、有机体系和纳米材料体系,但仅无机配合物Ru(bpy)32+体系实现了商品化。目前,纳米材料体系大多是基于含重金属有毒元素的半导体量子点体系,其由于严重的健康和环境问题限制了在生物分析中的应用。本论文发展了二维氮化碳纳米片和聚合物量子点两类新型ECL纳米发光体,发掘新型纳米发光体与生物分析物的相互作用机制,并结合纳米技术、形貌和光谱表征技术和化学生物学等手段构建了多种生物分析及传感体系,主要包括以下五个部分:1、血红素调控氮化碳纳米片的ECL用于DNA检测本工作利用氮化碳纳米片(CNNS)对单链DNA(ssDNA)的吸附能力来构建ECL传感平台用于DNA检测。吸附在CNNS表面的血红素标记的ssDNA(hemin-ssDNA)通过血红素介导的电催化还原反应导致溶解氧原位消耗,进而减少了内源性共反应剂的形成和淬灭了 CNNS的阴极ECL发射。当存在靶标DNA时,hemin-ssDNA与靶标DNA形成的杂交双链产物不能被CNNS修饰的电极表面所吸附,因此抑制了共反应剂的湮灭过程和恢复了 CNNS的ECL。在优化条件下,所构建的传感器展示出宽至6个数量级的检测范围和低至2.0fM的检测下限。此外,该ECL-DNA传感器表现出良好的选择性、高的可靠性和可接受的重现性。该传感策略为设计超灵敏检测DNA方法学提供了一种新的范例。2、比率ECL检测循环肿瘤细胞及其表面聚糖本工作设计了一种双电位比率ECL体系用于高灵敏检测循环肿瘤细胞(circulating tumor cells,CTCs),同时评估其表面的聚糖表达。为了实现比率ECL,我们首先制备了氮化碳纳米片和鲁米诺还原的金纳米颗粒两种ECL纳米发光体,用于分别提供阴极和阳极ECL信号。氮化碳纳米片上的金纳米粒子共轭结合适配体后用于特异性捕获CTCs,凝集素功能化鲁米诺还原的金纳米粒子用于表面聚糖的特异性识别。以MCF-7 CTCs作为模型靶标,该比率ECL传感器表现出了优异的分析性能,其具有宽的线性检测范围和低至2个细胞的检测下限。此外,该方法可以进一步用于评估细胞表面聚糖表达水平,如N-乙酰葡糖胺,N-乙酰神经氨酸和甘露糖经过糖苷外切酶酶切前后表达水平的变化。本工作提出的策略实现了 CTCs的高灵敏检测及其表面聚糖表达的准确分析,具有潜在的应用前景。3、含噻咯聚合物量子点:一种水相低电位ECL发光体用于生物传感通过Sonogashira反应合成了包含噻咯和9-辛基-9H-咔唑单元的一种新型D-A共轭聚合物主链。这种含噻咯的聚合物(SCP)进一步用纳米沉淀法制备成了聚合物量子点(SCP dots),其在相对低的电位下在水相溶液中具有电致化学发光(ECL)发射。以三正丙胺(TPrA)为共反应剂的条件下,在+0.4V(相对于Ag/AgCl)观察强的阳极ECL发射而在+0.78 V时达到峰值。ECL发射来自于激发态SCP dots的带隙发射。ECL发射可以通过从激发态SCP dots到受体的共振能量转移来淬灭。因此,我们提出了一种低电位阳极ECL传感策略用于检测受体相关分析物。以多巴胺作为分析物,其电氧化产物可以作为能量受体以淬灭SCP dots的ECL发射。这种ECL检测方法显示检测限为50 nM和高的抗干扰能力。该工作展示了聚合物点作为一种新型ECL发光体在生物分析检测中极富应用前景。4、掺杂Ru(bpy)32+发光聚合物量子点:双增强ECL用于检测单核苷酸多态性将大量的ECL活性分子封装进单个纳米粒子并结合单个靶标分子可以大幅提高ECL检测的灵敏度。本工作利用发光共轭聚合物作为载体封装大量的疏水性的Ru(bpy)32+分子合成了掺杂型聚合物量子点(RuPdots)。RuPdots的平均尺寸为20纳米,其内部可以封装大约1354个Ru(bpy)32+分子,并展示出明显的增强ECL发射。以三正丙胺(TPrA)为共反应剂,聚合物点的激发态可以通过共振能量转移至封装的Ru(bpy)32+分子,导致其在金电极上的ECL发射是同浓度未掺杂Ru(bpy)32+分子的15.7倍。通过耦合该纳米结构的双增强ECL和连接酶反应的特异性,构建了一种特异性检测单核苷酸多态性(SNP)的ECL传感器。以突变KRAS基因为靶标,该传感器的线性范围从1fM至1nM,其检测限低至0.8 fM。所构建的这种掺杂型聚合物纳米结构提供了一种新颖的信号放大策略,并在超灵敏ECL分析检测中展示出一定的应用潜力。5、氰基PPV聚合物量子点在水相介质中的高效电致化学发光及其成像应用高发光半导体性聚合物量子点(Pdots)本征的无毒性使其在电致化学发光(ECL)领域受到了广泛的科学关注。为了利用无毒性Pdots获得高灵敏ECL生物成像检测,本工作研究了聚[5-(2-乙基己氧基)-2-甲氧基-氰基对苯二亚甲基](CN-PPV)Pdots在水相溶液中的ECL行为,其由于在聚苯撑乙烯上引入吸电子氰基增强其发光效率。CN-PPV Pdots能通过电化学氧化形成带正电物种和电化学还原形成带负电物种,两者之间相互碰撞产生湮灭ECL。氧化和还原的次序会大幅影响该湮灭ECL发射。当存在共反应剂时,例如三正丙胺(TPrA)或过二硫酸根(S2O82-)下,CN-PPV Pdots在602 nm处显示出强烈的带隙ECL发射,其ECL效率分别为11.22%和1.84%。CN-PPVPdots/TPrA体系的高效ECL使其可以应用于ECL成像分析。为了验证这一概念,我们利用金属离子与Pdots之间不同的螯合作用设计了一种ECL成像芯片用于分析金属离子。所设计的ECL成像芯片传感器展示出对Fe3+优异的分析性能,线性范围从100 pM至100 μM,检测限达到67pM。相比基于强度测量的传统ECL方法,所发展的ECL成像方法具有简便、快速和高通量的特点,在监测水质和食品安全方面具有很大的应用潜力。