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量子点电致化学发光新体系及其分析新方法研究

作　者: 刘璇
导　师: 鞠熀先
学　校: 南京大学
专　业: 分析化学
关键词: 量子点 CdTe CdSe 电致化学发光共反应剂溶解氧过氧化氢亚硫酸根表面缺陷巯基化合物生物分析生物传感器神经递质猝灭增敏能量转移低电位生物相容性循环伏安法电化学阻抗电致化学发光光谱荧光光谱铟锡氧化物电极石墨充蜡电极玻碳电极仿生界面自组装单层酶免疫反应壳聚糖儿茶酚多巴胺肾上腺素亚硝酸根对苯二酚人免疫球蛋白
分类号: O471.1
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

当今,纳米技术已广泛用于化学、生物、医学、材料、电子等学科领域,形成了一个融前沿基础学科和高科技为一体的完整体系。功能纳米材料的开发与应用是纳米技术的重要研究内容。半导体纳米晶体,即量子点(quantum dots,缩写为QDs)在发光材料研发、光敏传感器构建、荧光探针标记以及生物成像等方面具有广阔的应用前景,其应用已经发展成为一个涉及多学科的交叉研究领域。如今,基于量子点的高灵敏度生物分析、多组分免疫检测和DNA传感、以及细胞成像和活体观察均已实现,结合量子点在光学和电化学两方面优势的电致化学发光(electrochemiluminescence, ECL)分析也逐渐发展起来。基于QDs-ECL体系已构建了多种生物分析策略,但目前报道的这类体系大多需要较高的应用电位以及强氧化剂作为共反应剂,限制了这些策略的生物分析应用。本论文发展了一系列新型QDs-ECL体系,通过改进共反应剂与探讨ECL机制优化了ECL体系的性质,并结合纳米技术、表面技术、和化学生物学手段构建了多种生物分析及传感体系,主要包括以下六个部分：1. CdTe量子点的阳极电致化学发光行为与儿茶酚类化合物的检测探讨了CdTe QDs的阳极电致化学发光行为,提出了能量转移猝灭机制,并将该ECL体系应用于生物分析。水溶性CdTe QDs以巯基丙酸(MPA)为表面保护剂,有很好的储存稳定性。以铟锡氧化物(ITO)电极为工作电极,MPA-CdTeQDs在pH 9.3磷酸缓冲溶液(PBS)中获得较强的阳极ECL信号,峰电位为+1.17 V (vs. Ag/AgCl参比电极),ECL辐射来自激发态的QDs。ITO电极表面产生的超氧阴离子自由基向CdTe QDs的1Se量子限域轨道注入电子,形成电子注入的QDs-·；它与阳极氧化形成的空穴注入的QDs+-发生碰撞而生成激发态的QDs*。QDs*的能量在辐射前可转移给儿茶酚类衍生物的电氧化产物,据此构建了这类物质的检测新方法。以多巴胺和肾上腺素为模型分析物,该方法对这两种化合物的检测线性范围分别为50 nM～5μM和80 nM～30μM。常见干扰物抗坏血酸和尿酸不影响该方法用于实际生物样品的检测。2.共反应剂增强及酶反应放大的CdTe量子点阳极电致化学发光与生物分析研究提出了CdTe QDs阳极ECL的新型共反应剂——SO32-,此为首例应用于QDs阳极ECL的共反应剂,可在很大程度上降低咖s阳极ECL的发光电位,峰电位为+0.9 V (vs. Ag/AgCl参比电极)。在溶解时存在下,酪氨酸的氧化产物可猝灭亚硫酸根增强的QDs阳极ECL,因此,利用酪氨酸氧化酶的催化氧化,发展了高灵敏度的酪氨酸检测方法,检测限为亚皮摩尔级。新型亚硫酸根增强的QDs阳极ECL体系较传统的发光体系有更多的优势；同时也为单或双-羟基苯衍生物的超高灵敏度ECL检测新方法的构建提供了新途径。该方案容易实现,为量子点在ECL生物传感领域的应用拓宽了空间。3. CdSe量子点阳极电致化学发光行为研究及其分析应用合成了以巯基乙酸作为稳定剂,具有壳核结构的水溶性CdSe/RSH量子点,并研究了该量子点的阳极ECL行为。在中性体系中,ECL强度可被溶液中亚硫酸根和溶解氧极大地增强。与传统的ECL发光体相比,具有相对较低的阳极电位,峰电位为+0.926 V (vs. Ag/AgCl参比电极),因而可以用来构建高灵敏度、高选择性的ECL传感器。进一步利用多巴胺(DA)对ECL的猝灭,建立了DA分析新方法,检测线性范围为0.5～70μM。该方法具有较好的灵敏度和选择性,用于实际样品的检测得到了满意的结果。这一工作提出了新的阳极ECL体系,并建立了儿茶酚类物质的分析新方法；较低的激发电位为进一步改善量子点的ECL性能提供了有效的途径。4.基于CdSe量子点阳极电致化学发光猝灭效应的亚硝酸根检测基于亚硝酸根对CdSe QDs ECL的猝灭作用发展了一种亚硝酸根的检测新方法。与前文ECL体系的猝灭机制不同,亚硝酸根的猝灭过程遵循“电化学氧化抑制”机制,猝灭行为符合Stern-Volmer方程。在亚硫酸根和溶解氧同时作为共反应剂的情况下,CdSe量子点在中性体系中得到了较强的阳极ECL发光,发光波长与CdSe量子点的荧光波长相符,说明所得到的ECL信号是由于在氧化还原过程中CdSe量子点与共反应剂亚硫酸根反应得到的激发态量子点所产生的,ECL电位与缓冲液的成分有关。Tris-HCl缓冲液中产生的ECL比磷酸缓冲液产生的ECL峰电位降低了230 mV。基于这一猝灭效应和Stern-Volmer方程提出了高灵敏的亚硝酸根检测方法,线性范围为1μM～0.5mM,为量子点ECL猝灭相关的检测提供了一种新的分析策略。5.双齿螯合表面非钝化量子点低电位电致化学发光及生物传感提出了表面非钝化量子点的ECL体系,可在较低电位实现电致化学发光。以短链双巯基化合物2,3-二巯基丁二酸(DMSA)为稳定剂,通过电解碲电极提供Te源的方式合成了双齿螯合配体稳定的CdTe QDs。通过FT-IR、荧光和紫外-可见吸收光谱以及元素分析和高分辨透射电子显微镜证实了表面缺陷位点的存在。非钝化的表面是由量子点的大比表面积以及DMSA分子的空间位阻效应所导致的。表面缺陷可产生比量子点核结构能隙更窄的表面能级带隙,从而得到电位较低的ECL辐射。在空气饱和的pH 7.0缓冲溶液中,QDs修饰电极的阴极ECL辐射峰在-0.85 V (vs. Ag/AgCl)。该过程以溶解氧电化学还原产物H2O2为共反应剂,避免了强氧化性共反应剂的引入,可用于构建过氧化物酶及其底物相关分析物的高灵敏分析方法。以辣根过氧化物酶(HRP)-对苯二酚(HQ) -H2O2酶循环体系为模型,通过消耗共反应剂H2O2导致ECL信号猝灭构建了检测HQ的ECL生物传感器。该传感器检测HQ的线性范围为0.2～10μM,具备良好的稳定性和重现性。这一工作为寻求低电位ECL发光体提供新的途径,使QDs作为新兴的ECL发光体更具竞争力。6.基于酶循环信号放大的量子点电致化学发光免疫传感器基于QDs的ECL性质,耦合自生共反应剂与酶循环实现的信号放大,构建了具有高灵敏度的ECL免疫传感器。用原子力显微镜及电化学阻抗对免疫传感器的构建过程进行了监测。在阴极扫描过程中溶解氧还原生成ECL过程所需的共反应剂H202,使免疫传感器产生较强的阴极ECL发光。以人免疫球蛋白G (HIgG)为模型分子,基于电极表面固定的HIgG与HRP标记HIgG抗体间的免疫识别作用建立了免疫检测方法。该方法通过竞争免疫模式实现,免疫反应引入的HRP催化HQ氧化消耗了自生共反应剂H2O2,从而放大了ECL的信号猝灭。传感器显示出0.05 ng mL-1～5μg mL-1的检测范围和较低的检测限,具有较好的稳定性和构建重现性。用于人血清样品中IgG的检测,得到了满意结果。这一工作为过氧化物酶标记的特异性生物分子识别体系提供了监测手段,扩展了量子点在ECL生物传感领域的应用。

全文目录

中文摘要  10-14
英文摘要  14-19
本论文主要创新点  19-20
第一章绪论  20-54
  1.1 量子点  20-30
    1.1.1 量子点材料的性质  20-21
    1.1.2 量子点材料的制备  21-24
      1.1.2.1 无机合成路线  21-22
      1.1.2.2 有机合成路线  22
      1.1.2.3 水溶性量子点合成的现状  22-24
    1.1.3 量子点在生物分析领域中的应用  24-30
      1.1.3.1 水溶性量子点与生物分子的交联  25
      1.1.3.2 量子点作为荧光探针识别生物分子  25
      1.1.3.3 基于量子点荧光能量共振转移(FRET)研究生物分子相互作用  25-27
      1.1.3.4 多色荧光标记和细胞成像  27
      1.1.3.5 组织的荧光成像和活体观察  27-28
      1.1.3.6 量子点用于光电化学生物分析  28
      1.1.3.7 基于量子点的电化学分析技术  28
      1.1.3.8 量子点电致化学发光生物分析  28-30
  1.2 电致化学发光技术及其分析应用  30-45
    1.2.1 电致化学发光的基本原理  31-34
      1.2.1.1 湮灭型ECL过程  31-32
      1.2.1.2 共反应剂参与的ECL过程  32-34
      1.2.1.3 氧化物阴极ECL过程  34
      1.2.1.4 量子点的ECL过程  34
    1.2.2 传统ECL体系的研究及ECL技术的特点  34-36
      1.2.2.1 无机金属配合物或螯合物  34-35
      1.2.2.2 酰肼类化合物  35
      1.2.2.3 其他传统ECL体系  35-36
      1.2.2.4 电致化学发光的方法特点  36
    1.2.3 电致化学发光分析的最新进展和发展趋势  36-45
      1.2.3.1 电致化学发光仪器的研发  37-38
      1.2.3.2 ECL技术与其他技术的联用  38-40
        1.2.3.2.1 ECL技术与流动注射分析(FIA),毛细管电泳(CE)和高效液相色谱(HPLC)技术联用  38-40
        1.2.3.2.2 ECL技术与现代生物分析技术联用  40
      1.2.3.3 新型电致化学发光体与发光机制研究  40-43
        1.2.3.3.1 新型电致化学发光体  40-42
        1.2.3.3.2 发光机制研究  42-43
      1.2.3.4 电致化学发光成像技术  43-44
      1.2.3.5 电致化学发光生物分析  44-45
  1.3 本论文的出发点和主要工作  45
  参考文献  45-54
第二章 CdTe量子点的阳极电致化学发光行为与儿茶酚类化合物的检测  54-69
  2.1 引言  54-56
  2.2 实验部分  56-57
    2.2.1 实验试剂和材料  56
    2.2.2 仪器和设备  56
    2.2.3 MPA-CdTe QDs的制备  56-57
  2.3 结果与讨论  57-65
    2.3.1 MPA-CdTe QDs的表征  57-58
    2.3.2 MPA-CdTe QDs在PBS中的阳极ECL行为研究  58-59
    2.3.3 MPA-CdTe QDs的阳极ECL机理研究  59-61
    2.3.4 QDs体积对MPA-CdTe QDs阳极ECL行为的影响  61
    2.3.5 检测溶液pH值对MPA-CdTe QDs阳极ECL性质的影响  61-62
    2.3.6 MPA-CdTe QDs阳极ECL的生物分析应用  62-65
  2.4 结论  65-66
  参考文献  66-69
第三章共反应剂增强及酶反应放大的CdTe量子点阳极电致化学发光与分析研究  69-82
  3.1 引言  69-70
  3.2 实验部分  70-71
    3.2.1 实验试剂和材料  71
    3.2.2 仪器和设备  71
  3.3 结果与讨论  71-79
    3.3.1 MPA-CdTe QDs的表征及其ECL行为研究  71-73
    3.3.2 亚硫酸钠浓度的优化  73-75
    3.3.3 共反应剂增强的CdTe QDs阳极ECL发光机制探讨  75-77
    3.3.4 QDs阳极共反应剂-ECL体系的分析应用  77
    3.3.5 酶增敏的酪氨酸ECL检测  77-78
    3.3.6 酪氨酸ECL检测体系的抗干扰性评估  78-79
  3.4 结论  79
  参考文献  79-82
第四章 CdSe量子点阳极电致化学发光行为研究及其分析应用  82-91
  4.1 引言  82-83
  4.2 实验部分  83-84
    4.2.1 实验试剂和材料  83
    4.2.2 仪器和设备  83
    4.2.3 水溶性TGA-CdSe量子点的制备  83-84
  4.3 结果与讨论  84-88
    4.3.1 TGA-CdSe量子点的表征  84
    4.3.2 CdSe量子点的电化学及电致化学发光行为  84-85
    4.3.3 CdSe量子点阳极ECL的稳定性  85-86
    4.3.4 实验条件优化  86-87
    4.3.5 CdSe量子点阳极ECL用于多巴胺的检测  87-88
    4.3.6 DA检测体系的选择性评估  88
    4.3.7 实际样品检测  88
  4.4 结论  88-89
  参考文献  89-91
第五章基于CdSe量子点阳极电致化学发光猝灭效应的亚硝酸根检测  91-100
  5.1 引言  91-92
  5.2 实验部分  92-93
    5.2.1 实验试剂和材料  92
    5.2.2 仪器和设备  92-93
    5.2.3 水溶性CdSe量子点的制备  93
  5.3 结果与讨论  93-98
    5.3.1 CdSe量子点的表征  93-94
    5.3.2 CdSe量子点的电化学和ECL行为  94-95
    5.3.3 缓冲溶液成分对CdSe量子点阳极电致化学发光的影响  95-96
    5.3.4 基于对阳极电致化学发光猝灭效应的亚硝酸根检测  96-97
    5.3.5 干扰试验  97-98
  5.4 结论  98-99
  参考文献  99-100
第六章双齿螯合表面非钝化量子点低电位电致化学发光及生物传感  100-115
  6.1 引言  100-102
  6.2 实验部分  102-103
    6.2.1 实验试剂和材料  102
    6.2.2 仪器和设备  102-103
    6.2.3 DMSA-CdTe QDs的制备  103
    6.2.4 QDs修饰电极及ECL生物传感器的制备  103
  6.3 结果与讨论  103-112
    6.3.1 DMSA-CdTe QDs的表征  103-105
    6.3.2 QDs材料的元素分析  105-106
    6.3.3 DMSA-CdTe QDs修饰电极的ECL及电化学行为  106-107
    6.3.4 DMSA-CdTe QDs修饰的GCE的阴极ECL机理研究  107-108
    6.3.5 GCE/QDs/HRP生物传感器ECL的猝灭  108-109
    6.3.6 HQ检测  109-110
    6.3.7 传感器选择性评估  110-111
    6.3.8 QDs修饰电极以及ECL传感器的稳定性、精密度和重现性  111-112
  6.4 结论  112
  参考文献  112-115
第七章基于酶循环信号放大的量子点电致化学发光免疫传感器  115-130
  7.1 引言  115-117
  7.2 实验部分  117-119
    7.2.1 实验试剂和材料  117
    7.2.2 仪器和设备  117-118
    7.2.3 基于DMSA-CdTe QDs免疫传感器的制备  118
    7.2.4 检测过程  118-119
  7.3 结果与讨论  119-127
    7.3.1 DMSA-CdTe QDs的表征  119
    7.3.2 免疫传感器的AFM和电化学阻抗表征  119-121
    7.3.3 免疫传感器的ECL性质  121-123
    7.3.4 免疫识别过程条件优化  123
    7.3.5 基于免疫传感器的HIgG检测  123-125
    7.3.6 免疫传感器的重现性和精确度评估  125-126
    7.3.7 人血清实际样品中IgG的检测  126-127
  7.4 结论  127-128
  参考文献  128-130
附录  130-133
致谢  133-134

量子点电致化学发光新体系及其分析新方法研究

内容摘要

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