摘要
电化学发光（Electrochemiluminescence,ECL）是电极表面活性物质经高能电子转移产生的光辐射现象。ECL分析技术无需外部激发光源，具有信噪比高、检测灵敏和电化学可控等优点，已在基础研究和应用商业化应用领域获得广泛关注。目前，仅有分子型钌联吡啶/三正丙胺体系在商业化免疫检测领域获得了应用。围绕ECL分析性能的提升，推动ECL商业化应用，本论文系统研究了纳米粒子ECL辐射调控与生物传感应用，提出了调控纳米粒子ECL强度、波段、单色性、电位和电势窗口的方法，发展了一系列单组分和双组分ECL分析新技术，具体工作如下: 1、为提升纳米粒子的本征禁带调控型ECL强度，以定量水诱导凝胶策略制备的CdSe纳米晶（NCs）气凝胶为ECL试剂，以三乙醇胺为共反应剂，利用气凝胶网状结构内纳米粒子之间的强电子耦合，通过实施跨粒子电荷转移方式获取了126倍增强的ECL强度，提出并阐明了粒子间电荷转移增强的ECL机制。采用光谱分析和光强度测量相结合的方式，利用特殊设计的CdSe-CdTe混合气凝胶/2-N-二丁氨基乙醇体系验证了跨纳米粒子增强机制，为提升纳米粒子的禁带调控型ECL强度提供了新途径。 2、为提升纳米粒子的表面缺陷诱导型ECL强度，以原子精确型Ag29（BDT）12（BDT=1,3-苯二硫醇）为模板，采用三苯基膦（TPP）配体规避银纳米簇表面的几何堆积效应，制备了具有非钝化表面状态的Ag29（BDT）12（TPP）4,提出了表面配体增强银纳米簇ECL强度的方法。与Ag29（BDT）12相比，Ag29（BDT）12（TPP）4的电荷注入过程更加有效，不仅使湮灭型（-1.35V→+1.30V）和氧化-还原型ECL强度分别增强了10和20倍，同时实现了湮灭型(-1.35V→+0.76V）和还原-氧化型ECL“从无到有”的突破。该研究为提升纳米粒子的缺陷诱导型ECL强度提供了新途径。 3、为实现纳米粒子ECL波段的有效调控，以6-巯基已酸稳定、Zn2+聚集诱导制备的金纳米簇（AuNCs）为ECL试剂，采用精准调控ECL测试条件的方式，通过带隙跃迁与能量转移路径实现了AuNCs的ECL波段调控。在非碳酸盐中，AuNCs/三乙胺体系经带隙跃迁产生AuNCs的禁带调控型ECL辐射（～485nm）,其半峰宽为36nm;在碳酸盐中，AuNCs/三乙胺体系经能量转移产生单线态氧的特征ECL辐射（～703nm）,其半峰宽为176nm;在非三乙胺或非碳酸盐体系中，电化学氧化AuNCs不产生单线态氧及ECL辐射。该研究为纳米粒子ECL波段及单色性的调控提供了新策略。 4、围绕纳米粒子ECL波段的调控，以双稳定剂包被的CdTeNCs为模板，采用Co2+生长掺杂方式制备了水溶性Co2+-CdTeNCs,利用其禁带调控型ECL本质，将Co2+-CdTeNCs/三正丙胺体系的ECL最大辐射波长拓展至近红外I区（～815nm）。以Co2+-CdTeNCs为光学标签，通过在电极表面形成夹心免疫复合物的方式，发展了光谱型近红外ECL免疫分析方法，实现了对癌胚抗原的定量检测，其线性范围为1fg/mL～10pg/mL,检测限为0.2fg/mL。该ECL波段调控研究为实现光谱分辨型多组分分析提供了技术储备，应用前景良好。 5、为有效降低电化学干扰，提高工作电极的耐受性，通过改进双稳定剂包被CdTeNCs的前驱体pH和纯化工艺，在无共反应剂存在下，以直接氧化方式开发了低电位（～0.21V）的ECL新体系。以优化的CdTeNCs为标记物，利用夹心免疫复合物的空间位阻效应，发展了低电位的ECL免疫分析方法，在0.24V实现了对小分子蛋白重组胃泌素释放肽的定量检测，其线性范围为0.1～2000pg/mL,检测限为0.05pg/mL。该研究为纳米粒子的ECL电位调控提供了启示，有望简化ECL免疫检测的操作步骤和装备构造，商业化应用前景良好。 6、围绕纳米粒子ECL电势窗口的调控，利用柠檬酸钠羰基和银原子之间的静电相互作用，研发了具有窄电化学电势窗口（～0.16V）和ECL响应窗口（～0.32V）的三角银纳米粒子。以该银纳米粒子为探针，分别利用柠檬酸钠被各类硫醇选择性取代后猝灭的电化学响应（～0.08V）和ECL响应（～1.35V）,开展了电化学和ECL生化分析研究，实现了对一系列硫醇化合物的双重定量检测，其检测线性范围为30pM～3nM,检测限为10pM。该ECL电势窗口调控研究为实现电位分辨型多组分分析提供了技术储备，具有良好的学术价值。 7、以光谱分析模式，开发了同步执行免疫分析与核酸检测的共反应剂型ECL双组分分析方法。以肼为共反应剂，利用AuNCs本征禁带调控型ECL（～485nm）与CuInS2@ZnSNCs表面缺陷诱导型ECL(～775nm）辐射波段的差异，开发了光谱分辨型ECL双组分检测技术，同步实施了ECL免疫分析与核酸检测研究，在485nm和775nm分别实现了对癌胚抗原和野生型p53的定量分析，检测线性范围分别为1pg/mL～50ng/mL和1pM～50nM,检测限分别为0.3pg/mL和0.5pM。该研究有效提升了光谱型ECL分析的通量，且同步进行的免疫分析和核酸检测互不干扰，有望在疾病的准确诊断领域获得应用。 8、以电位分辨模式，开发了同步执行核酸检测的免共反应剂型ECL双组分分析方法。以富电子的CdTeNCs为模板，利用Cd-S键和酰胺键两种不同表面基团键合方式分别获得了0.32V和0.82V的窄电势窗口ECL响应，基于此开发了电位分辨型ECL双组分检测技术，实施了双组分ECL核酸检测研究，在0.32V和0.82V分别实现了对开放读码框lab和核壳蛋白基因的检测，相应的检测线性范围分别为200aM～10fM和5fM～1pM，检测限分别为100aM和2fM。该研究有效提升了电位-光强型ECL分析的通量，且同步进行的双基因检测互不干扰，有望在新冠病毒的快速诊断领域获得应用。
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