電致化學(xué)發(fā)光傳感器研究進(jìn)展

林歡歡,陳溢濱，皇怡甜，林佩靈，曾寶珊*， 李秀華*，陳 哲

(1.福建師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院,福建 福州 350001; 2.閩江師范高等專科學(xué)校化學(xué)與生物工程系,福建 福州 350108)

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和各種疾病的不斷發(fā)生，人們對(duì)各類物質(zhì)檢測(cè)的需求日益增大，涌現(xiàn)出許多新型的分析技術(shù)。其中，ECL生物傳感器已經(jīng)在細(xì)胞、蛋白質(zhì)、病原體和小分子毒素等檢測(cè)方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[1]，因此，在食品安全監(jiān)控、臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域發(fā)揮了不可取代的重要作用[2]。

1 ECL生物傳感器

ECL生物傳感器是一種由生物識(shí)別元件(酶、蛋白質(zhì)、抗體、抗原、DNA、生物膜等)和信號(hào)轉(zhuǎn)換單元有機(jī)結(jié)合的的分析設(shè)備。生物識(shí)別部分重在設(shè)計(jì)不同的傳感策略以實(shí)現(xiàn)不同物質(zhì)的檢測(cè)，信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的重點(diǎn)在于尋找優(yōu)良性能的增敏材料，這些材料需具備較高的表面電活性，具有特殊的孔道結(jié)構(gòu)，良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性和生物兼容性等，用于ECL生物傳感器的高效傳感層構(gòu)建。常用的有無機(jī)納米材料：SiO2、TiO2、石墨烯類物質(zhì)、碳納米材料等；有機(jī)高分子材料：酞菁類衍生物、聚酰胺-胺、聚乙烯亞胺、二茂鐵類衍生物等。

ECL生物傳感器作為一種由ECL分析方法和生物傳感技術(shù)完美結(jié)合的暫新檢測(cè)裝置，在目標(biāo)物分析中展示出許多顯著的優(yōu)點(diǎn)。首先，ECL生物傳感裝置無需外加光源，減少了來自散射光和其他不必要光引起的背景噪聲。其次，ECL是通過在電極表面施加合適的電位來引發(fā)和調(diào)節(jié)的，這樣可以精確地控制光發(fā)射的時(shí)間和位置，從而提供了優(yōu)良的可再生性和較高的靈敏度。第三，ECL活性材料和反應(yīng)的多樣性使它們?cè)诓煌纳飩鞲蓄I(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，從實(shí)際考慮來看，ECL生物傳感器還具有響應(yīng)速度快、操作過程簡(jiǎn)單、設(shè)備成本低等優(yōu)點(diǎn)[3]。

2 檢測(cè)原理

通俗地講，任何能夠增強(qiáng)或抑制ECL過程從而引起ECL信號(hào)變化的物質(zhì)都可以通過ECL生物傳感器實(shí)現(xiàn)其定量檢測(cè)。根據(jù)目標(biāo)物的不同種類和特性，可以將ECL生物傳感器的檢測(cè)原理分為幾種類型。

2.1 利用生物識(shí)別過程中的位阻效應(yīng)對(duì)ECL信號(hào)的影響

這種分析策略主要針對(duì)一些蛋白質(zhì)分子和細(xì)胞。利用這種檢測(cè)原理，魏琴研究組設(shè)計(jì)了一系列免標(biāo)記的ECL生物傳感器。其中一種設(shè)計(jì)方案:利用摻雜銀納米顆粒的鉛離子結(jié)合β-環(huán)糊精合成金屬有機(jī)框架結(jié)構(gòu)的復(fù)合物，該復(fù)合物作為發(fā)光探針同時(shí)被用作生物傳感器的傳感基質(zhì)，將其修飾到玻碳電極表面之后，通過銀納米顆粒與氨基之間的化學(xué)鍵合作用，將前列腺特異性抗原對(duì)應(yīng)的抗體連接到電極表面，用牛血清蛋白封閉之后，利用抗原與抗體之間的特異性識(shí)別將前列腺特異性抗原固定到電極表面，構(gòu)成一個(gè)完整的ECL生物傳感器。由于PSA非電活性生物分子會(huì)阻礙電子傳輸，降低ECL 發(fā)光基團(tuán)朝電極界面擴(kuò)散的速率，從而導(dǎo)致ECL強(qiáng)度降低。因此，隨著PSA 濃度的增加，ECL 強(qiáng)度逐漸降低，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)PSA的檢測(cè)[4]。此外，Yang等人[5]發(fā)展了一種雙層鋅共吸附碳量子點(diǎn)(ZnCQDs)核殼納米探針，研究了血小板對(duì)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的粘附作用。與此同時(shí)，該研究組將苯胺電聚合到電極界面，并以CdS 量子點(diǎn)作為發(fā)光基團(tuán)，金納米顆粒(Au NPs)作為載體，構(gòu)制了一種簡(jiǎn)易的傳感平臺(tái)，利用細(xì)胞識(shí)別過程中產(chǎn)生的電子阻礙效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)MCF-7細(xì)胞的定量檢測(cè)[6]。

2.2 通過分析物與ECL發(fā)光體的相互作用

分析物及其相關(guān)物如果能與ECL發(fā)光體、ECL發(fā)光體自由基或激發(fā)態(tài)物種發(fā)生反應(yīng)，并對(duì)ECL發(fā)光基團(tuán)的組成或濃度產(chǎn)生影響，其ECL發(fā)光強(qiáng)度就會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該分析物的檢測(cè)。

2.3 通過分析物對(duì)共反應(yīng)試劑的影響

如果待測(cè)物或其相關(guān)物質(zhì)能產(chǎn)生或消耗共反應(yīng)物，或者抑制共反應(yīng)物的氧化還原反應(yīng)或消耗共反應(yīng)試劑產(chǎn)生的自由基，從而引起ECL信號(hào)的變化，就可以實(shí)現(xiàn)該分析物的定量檢測(cè)目的。這種分析檢測(cè)原理通常用于酶催化反應(yīng)控制的比率型生物傳感器的研制。西南大學(xué)袁若小組首先探索了一種新型的有機(jī)磷農(nóng)藥(OPs)雙電位ECL比率傳感方法[6]。以CdTe量子點(diǎn)和聚合物點(diǎn)(PFO dots)作為ECL發(fā)光對(duì)，以溶解O2和H2O2分別作為其共反應(yīng)物。當(dāng)乙酰膽堿酯酶(AChE)和膽堿氧化酶(ChOx)起催化作用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致溶液中溶解O2的量較少，而同時(shí)原位生成H2O2。因此，CdTe QDs的陰極ECL信號(hào)降低，而PFO dots的陽(yáng)極ECL信號(hào)相應(yīng)增強(qiáng)。基于OPs對(duì)乙酰膽堿酯酶(AChE)活性的抑制，從而建立起對(duì)OPs的檢測(cè)方法。

另外，該課題組利用相同的思路，建立了次黃嘌呤(Hx)的比率型ECL生物傳感平臺(tái)[7]。該傳感器以rGO-CdTe QDs/Luminol作為ECL發(fā)光對(duì)，同樣地，溶解O2和H2O2分別作為其共反應(yīng)物。在次黃嘌呤存在的情況下，黃嘌呤氧化酶(XOD)會(huì)催化次黃嘌呤與O2反應(yīng)，同時(shí)消耗O2產(chǎn)生H2O2，導(dǎo)致rGO-CdTe QDs/Luminol發(fā)光對(duì)ECL信號(hào)的反向變化，最終建立對(duì)次黃嘌呤的比率測(cè)定方法。這一課題組將酶催化方法與ECL生物傳感技術(shù)完美結(jié)合，提高了分析檢測(cè)的靈敏度。

3 展望

ECL生物傳感器目前已經(jīng)在DNA、單核苷酸多態(tài)性、活性生物小分子、蛋白質(zhì)和腫瘤細(xì)胞等的檢測(cè)中發(fā)揮了潛在的應(yīng)用價(jià)值。而基于以上不同的傳感原理，可以構(gòu)建多種不同傳感模式的ECL生物傳感器，從而進(jìn)一步拓寬ECL傳感器的應(yīng)用范圍。