
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1、XX大學(xué)研究生課程考試答 卷 紙考試科目 中外文獻(xiàn)研讀 院 、所、中心 化學(xué)化工學(xué)院 專業(yè)或?qū)I(yè)領(lǐng)域 分析化學(xué) 研究方向 納米材料與電化學(xué)生物傳感器 級(jí) 別 2013級(jí) 學(xué) 年 20132014學(xué)年 學(xué) 期 第一學(xué)期 姓 名 學(xué) 號(hào) 類 別 全日制碩士 (全日制博士 全日制碩士 教育碩士 高師碩士工程碩士 農(nóng)推碩士 獸醫(yī)碩士 進(jìn)修)2014年1月12日研究生院(籌)制課 程 類 別必修課課程考試方式課程論文題號(hào)得分教 師 評(píng) 價(jià)一 二三四五六七八九十總分任課教師簽名:備注:成績(jī)?cè)u(píng)定以百分制或等級(jí)制評(píng)分,每份試卷均應(yīng)標(biāo)明課程類別(必修課選修課同等學(xué)力補(bǔ)修課)與考核方式(閉卷筆試口試開(kāi)卷筆試課程論
2、文)。課程論文應(yīng)給出評(píng)語(yǔ)?;诩{米材料構(gòu)建的電致化學(xué)發(fā)光免疫傳感器的研究摘要:電化學(xué)發(fā)光(Electrochemiluminescence, ECL)是通過(guò)施加一定的電壓使電極產(chǎn)物之間或產(chǎn)物與體系中某組分進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的一種光輻射。該法不僅具有化學(xué)發(fā)光分析的靈敏度高、線性范圍寬和儀器簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),而且具有電化學(xué)分析控制性強(qiáng)、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)。隨著納米材料的快速發(fā)展,由于納米材料獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)、大的比表面積、好的生物兼容性等特點(diǎn),各種納米材料在生物傳感器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)傳感器靈敏檢測(cè)。本文從利用納米材料及其復(fù)合材料構(gòu)建敏感界面以及信號(hào)放大探針等方面進(jìn)行了研究,構(gòu)建了一些列的靈敏的電致化
3、學(xué)發(fā)光免疫傳感器。關(guān)鍵詞:免疫;生物傳感器;電致化學(xué)發(fā)光檢測(cè);納米材料Study on electrochemiluminescent immunosensors constructed by nanomaterialsCollege of Chemistry and Chemical Engineering, Southwest University, Chongqing 400715Abstract: Electrochemiluminescence (ECL) is a light emision produced by an electrochemical reaction betwe
4、en electrochemically generated species under potential. It is the product of elelctrochemical and chemiluminescent methods. And ECL has not only the high sensitivity, wide linear ranges and simple operation of chemiluminescence assay but also easy control as well as excellent selectivity of elelctro
5、chemical analysis. This thesis is devoted to the construction of sensing interface for the immobilization of antibody and the design nano-probes for the analyte recognization and signal amplification using nanomaterials or nanocomposites. Based on this point, this thesis developed some sensitive ECL
6、 immunosensor.Keywords: immunology; biosensor; electrochemiluminescence; nanomaterials;1. 電致化學(xué)發(fā)光概述電致化學(xué)發(fā)光(Electrochemiluminescence, 簡(jiǎn)稱ECL),是通過(guò)電化學(xué)方法引發(fā)的化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象。通過(guò)電極對(duì)含有電致化學(xué)發(fā)光活性物質(zhì)的體系施加一定的電壓或是通過(guò)一定的電流,產(chǎn)生了某些特殊的物質(zhì),這些特殊物質(zhì)之間或這些特殊物質(zhì)與體系中其他外加共存物之間發(fā)生發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生一些不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)物質(zhì),由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)以光的形式釋放能量,從而產(chǎn)生發(fā)光的現(xiàn)象;或者發(fā)光活性物質(zhì)直接在電極發(fā)生氧化還
7、原反應(yīng)生成某些不穩(wěn)定的中間態(tài)物質(zhì),該中間態(tài)物質(zhì)分解而產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象。ECL現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的比較早,早在1927年,Dufford等人在無(wú)水醚介質(zhì)中電解格氏試劑時(shí)就觀察到ECL現(xiàn)象1,接著1929年,Harvey又在電解堿性魯米諾水溶液時(shí)也發(fā)現(xiàn)了ECL現(xiàn)象2,由此揭開(kāi)了電致化學(xué)發(fā)光研究的序幕。但是,一開(kāi)始由于條件的限制,導(dǎo)致有關(guān)ECL的研究進(jìn)展很緩慢。進(jìn)入20世紀(jì)80年代,ECL研究力度不斷加強(qiáng),范圍不斷擴(kuò)展,ECL也隨著廣泛的應(yīng)用于分析領(lǐng)域,形成了電致化學(xué)發(fā)光分析技術(shù)。1.1電致化學(xué)發(fā)光免疫傳感器概述電致化學(xué)發(fā)光免疫傳感器是一種將電致化學(xué)發(fā)光分析方法與高特異性的免疫學(xué)分析方法相結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的一類
8、免疫傳感器,兼具著電致化學(xué)發(fā)光分析方法和免疫分析技術(shù)的特點(diǎn),因此具有高選擇性、高靈敏度以及穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。該類傳感器是將各種電致化學(xué)發(fā)光活性試劑或參與電致化學(xué)發(fā)光的物質(zhì)固化在電極上,也可以將它們標(biāo)記在抗原或者抗體上,再通過(guò)固定化技術(shù)將抗體或者抗原組裝至電極表面,然后根據(jù)抗原與抗體的特異性免疫識(shí)別反應(yīng)形成免疫復(fù)合物前后電致化學(xué)發(fā)光信號(hào)的變化來(lái)反應(yīng)被測(cè)抗原或抗體的濃度,從而達(dá)到檢測(cè)它們的目的。同其他的免疫傳感器檢測(cè)方法一樣,電致化學(xué)發(fā)光免疫傳感器的檢測(cè)方法通常有直接法和夾心免疫法。夾心法,首先也是將抗體固定在修飾電極表面,接著與對(duì)應(yīng)的待測(cè)抗原反應(yīng),再與被特殊標(biāo)記(電致化學(xué)發(fā)光活性試劑或參與電致化學(xué)發(fā)
9、光的物質(zhì)、酶或者納米材料)的二抗而形成抗體-抗原-被標(biāo)記抗體的“三明治”結(jié)構(gòu)的免疫復(fù)合物,引起傳感器ECL信號(hào)的變化,通過(guò)ECL信號(hào)的變化測(cè)得待測(cè)抗原的濃度3-4。Fig. 1.1 Schematic diagram of the principle for the ECL immunosensor.2. 納米材料概述納米材料是指三維空間中至少有一維的尺寸介于1-100 nm之間的材料,由于具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等特性5-6,呈現(xiàn)出特殊的電化學(xué)和光學(xué)特質(zhì),如大的比表面積、高的表面自由能、強(qiáng)的吸附能力、優(yōu)越的電子傳遞能力以及良好的生物兼容性等7-9,納米材料擁有“2
10、1世紀(jì)最有前途的材料”的美譽(yù),成為世界各國(guó)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域所關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,為納米技術(shù)的研究提供了各種支撐,使得納米技術(shù)的研究工作廣泛開(kāi)展,其獨(dú)特的光、電特性為生物傳感器的發(fā)展也提供了更為廣闊的空間。2.1 碳納米材料碳是自然界中存在與人類最密切相關(guān),最重要的元素之一。在研究最多的碳納米材料中,碳納米管和石墨烯為主要代表。自碳納米管被Iijima在1911年發(fā)現(xiàn)以來(lái)10,備受研究者們的關(guān)注,因?yàn)槠渚哂歇?dú)一無(wú)二結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能,比如高的化學(xué)穩(wěn)定性、管狀結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性、大的比表面積和強(qiáng)的吸附能力等11。雖然它非常輕卻很結(jié)實(shí)牢固,密度是鋼的1/6,強(qiáng)度卻是鋼的100倍。此外,碳納
11、米管的表面原子活性很高具有電催化方面的應(yīng)用前面。其在生物傳感器中的作用主要有一下幾個(gè)方面:(1)利用其比表面積大可作固載機(jī)制,(2)利用其導(dǎo)電性良好可加速電子的傳遞,(3)利用其跟其他納米材料復(fù)合,展現(xiàn)出更多更優(yōu)異的性能。石墨烯是一種 sp2 雜化碳組成的新二維納米結(jié)構(gòu),是所有其它維度石墨化材料的基本構(gòu)造單元,是迄今為止發(fā)現(xiàn)的力學(xué)性能最好的材料之一。比表面積非常大、超強(qiáng)的導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度非常高、易于修飾及大規(guī)模生產(chǎn)等非凡的物理及電學(xué)性質(zhì),都是石墨烯獨(dú)特的特性12。石墨烯屬于零帶隙半導(dǎo)體,石墨烯具有很好的電子傳輸性質(zhì)。因此,其在電化學(xué)傳感器領(lǐng)域也受到廣泛的應(yīng)用。2.1.1 基于石墨烯-碳納米管的
12、電致化學(xué)發(fā)光免疫傳器研究Kunping Liu等13用聚乙烯修飾的石墨烯片層與納米金通過(guò)聲波降解法結(jié)合,形成的體系結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性和生物活性,用來(lái)固載捕獲抗體,納米金功能化的氧化石墨烯和辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記的二抗組成生物納米探針,構(gòu)建成夾心免疫模式,用于檢測(cè)IgG,其檢測(cè)范圍是0.1到200 ng·mL-1,最低檢測(cè)限是0.05 ng·mL-1。Fig. 1.2 Schematic illustration of the preparation of graphene-based hybrids and the construction of the sandwich-t
13、ype electrochemical immunosensor.2.2 金屬納米材料金屬納米材料主要是指貴金屬包括鉑族和Au、Ag等金屬元素構(gòu)成的納米材料。由于金屬納米材料兼具金屬良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能與納米材料的基本特性,其奇異的特性正在引起世界各國(guó)研究者濃厚的研究興趣14。隨著研究者們的發(fā)現(xiàn),很多貴金屬(Au、Pt)及合金(包括Ru、Cu、Fe等)對(duì)目標(biāo)物可以直接催化,可用于構(gòu)建無(wú)酶型的傳感器。隨著納米科技的不斷發(fā)展,金屬納米材料在催化、光學(xué)、電子、傳感及生物醫(yī)學(xué)等重要領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在眾多的金屬納米材料中,應(yīng)用于傳感器中的有納米金15、納米鉑16、納米氧化銅17、納米四氧化三鐵18
14、、納米氧化鋅19、金屬納米復(fù)合物20等。2.2.1 基于納米金的電致化學(xué)發(fā)光免疫傳器研究Ying Zhou等將Ru(dcbpy)32+與其共反應(yīng)試劑L-cysteine通過(guò)Au-N鍵和Au-S鍵合作用連接起來(lái)合成一個(gè)新的Ru()復(fù)合物,并用于cTnl的檢測(cè)21。Fig. 1.3 Schematic illustration of the proposed ECL immunosensor, Copyright 2014 Elsevier.2.2.2 基于氧化鋅納米棒電致化學(xué)發(fā)光免疫傳感器的研究XinYa Jiang等將AuNPs電沉積到裸電極上,然后通過(guò)氨基與氧化鋅納米棒作用,并用于CA15-
15、3的檢測(cè)22。Fig. 1.4 The fabrication process of the as-prepared ECL immunosensor and the mechanism of detection for CA15-3.2.2.3基于四氧化三鐵納米球電致化學(xué)發(fā)光免疫傳感器的研究Dianping Tang等23用反膠束法合成電活性物質(zhì)硫堇和酶摻雜的二氧化硅納米顆粒,將其用來(lái)標(biāo)記抗體,構(gòu)建夾心型的免疫傳感器。大量的酶可以有效放大響應(yīng)新號(hào),提高測(cè)定靈敏度;硫堇可以作為酶活性中心與電極表面的電子轉(zhuǎn)移的媒介體,提高傳感器的響應(yīng)速度。以CA125為模型分析物,其線性范圍為0.1-450 U
16、·mL-1,并具有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。Fig. 1.5 Construction of the immunosensing probe and recognition element (RE) and measurement protocol of the nanoparticle-based electrochemical immunoassay with an sandwich-type format.Kun Shang等24-環(huán)糊精功能化石墨烯作為傳感界面固載捕獲抗體,-環(huán)糊精二茂鐵多重功能化四氧化三鐵納米球,并將其作為生物耦合物探針,以ALVs-J為模型分析物用來(lái)作夾心型的
17、免疫測(cè)定。Fig. 1.6 Schematic representation of the preparation of GOD-Ab2/Fc-CDFe3O4 (A), CD-GS (B) and (C) Schematic description of electrochemical response mechanism.2.3 發(fā)光納米材料電致化學(xué)發(fā)光納米材料,包括半導(dǎo)體量子點(diǎn)25、碳點(diǎn)26、以及金屬納米簇27,因其獨(dú)特的光學(xué)特性成為最近研究的焦點(diǎn),并廣泛應(yīng)用生命科學(xué)中,例如生物傳感器28、分子成像29、光電子技術(shù)30、納米醫(yī)學(xué)31。2.3.1 量子點(diǎn)發(fā)光體系及其發(fā)光機(jī)理量子點(diǎn)(Quant
18、um Dots, QDs)是一種半導(dǎo)體納米材料,粒徑一般在220 nm之間30,且通常主要是由-族的元素組成,如CdTe、CdS、CdSe等。QDs具有許多的優(yōu)秀特性,比如尺寸效應(yīng)、寬的熒光發(fā)射光譜、較好的生物兼容性以及良好的ECL行為。QDs是目前研究得最火熱的ECL發(fā)光體,其能夠產(chǎn)生ECL行為的原因是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,電子被氧化還原注入量子點(diǎn)表面或中心能級(jí)帶,通過(guò)湮滅或共反應(yīng)兩種機(jī)制產(chǎn)生ECL輻射。S2O82-、H2O2和溶解氧常用作QDs的共反應(yīng)試劑32-34,其共反應(yīng)機(jī)理可以表示如下(以CdSe為例) 35: Jing Wang等制備了CdTe/CdS coresmall/shellthi
19、ck QDs,并通過(guò)BSA將其包裹在SiO2的表面合成了二抗免疫復(fù)合物,以S2O82-為共反應(yīng)試劑成功的構(gòu)建了一個(gè)高靈敏的傳感器36。Fig. 1.7 Schematic presentation of the NIR ECL Immunoassay of HIgG.2.3.2 碳量子點(diǎn)發(fā)光體系及其發(fā)光機(jī)理相對(duì)于金屬量子點(diǎn)而言,碳量子點(diǎn)無(wú)毒,對(duì)環(huán)境的危害小,造價(jià)也更便宜。因?yàn)樘技{米粒子具有很大的表面積,所以長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)家們一直認(rèn)為這種納米粒子相比宏觀碳,具有非常奇特的化學(xué)和物理性質(zhì)。孫亞平等從石墨中提取出碳納米粒子,并且證明這些粒子表面覆蓋一種特殊的聚合物后,在光照下可以發(fā)出非常明亮的光,就像
20、是微小的光球一樣??茖W(xué)家們認(rèn)為這種光致發(fā)光現(xiàn)象可能是由于碳量子點(diǎn)表面的空洞可以儲(chǔ)存能量造成的。而金屬量子點(diǎn)的發(fā)光機(jī)制則稍微有些不同。量子點(diǎn)一般是從鉛、鎘和硅的混合物中提取出來(lái)的,但這些量子點(diǎn)一般有毒,對(duì)環(huán)境也有很大的危害。所以科學(xué)家們尋求在一些良性的化合物中提取量子點(diǎn)。相對(duì)金屬量子點(diǎn)而言,碳量子點(diǎn)無(wú)毒害作用,對(duì)環(huán)境的危害很小,制備成本低廉。它的研究代表了發(fā)光納米粒子研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。Pu Zhang等制備了石墨烯量子點(diǎn),并通過(guò)PTCA連接上AuFe3O4合成了復(fù)合納米材料,以S2O82-為共反應(yīng)試劑成功的構(gòu)建了一個(gè)適體傳感器37。Fig. 1.8 The fabrication proc
21、ess of the as-prepared ECL immunosensor3展望納米材料在電致化學(xué)發(fā)光免疫傳感器的研究應(yīng)用中的作用分為三個(gè)方面:一是作為傳感器界面固載基質(zhì)的修飾材料,從而固定抗體等生物大分子。由于納米材料比表面積大、吸附能力強(qiáng),而且還具有良好的生物相容性,不僅可以將抗體等生物大分子牢固的固載在其表面還能保持生物大分子的生物活性;二是利用納米材料與發(fā)光體如(luminol、Ru(bpy)32+及其衍生物、QDs)之間的特殊作用用于固載發(fā)光體,由于納米材料比表面積大,可有效增加發(fā)光體的固載量,達(dá)到放大ECL信號(hào)的作用;第三則是作為抗體的標(biāo)記材料,以納米材料為載體將抗體與標(biāo)記物制
22、備成具有識(shí)別和信號(hào)放大作用的生物納米探針,通過(guò)夾心免疫反應(yīng),將其引入到傳感器界面上,通過(guò)信號(hào)的放大實(shí)現(xiàn)低濃度生物分子的靈敏檢測(cè)。由于納米材料優(yōu)越的電子傳輸能力和大的比表面積可以有效的增加電極的電活性面積,增強(qiáng)電極的導(dǎo)電性,加快電子傳遞,提高蛋白質(zhì)分子的固載量,從而進(jìn)一步提高傳感器的的響應(yīng)速度,增強(qiáng)傳感器的穩(wěn)定性和靈敏度,進(jìn)而改善傳感器的性能。參考文獻(xiàn):1 Dufford R.T., Nightingale D., Gaddum L.W. Luminescence of Grignard compounds in electric and magnetic fields, and related
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