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)?；瘜W(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，人們對各類物質(zhì)檢測的需求日益增大，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別元件(酶、蛋白質(zhì)、抗體、抗原、DNA、生物膜等)和信號轉(zhuǎn)換單元有機(jī)結(jié)合的的分析設(shè)備。生物識別部分重在設(shè)計不同的傳感策略以實(shí)現(xiàn)不同物質(zhì)的檢測，信號轉(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)的多樣性使它們在不同的生物傳感領(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、操作過程簡單、設(shè)備成本低等優(yōu)點(diǎn)[3]。

2 檢測原理

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。根據(jù)目標(biāo)物的不同種類和特性，可以將ECL生物傳感器的檢測原理分為幾種類型。

2.1 利用生物識別過程中的位阻效應(yīng)對ECL信號的影響

這種分析策略主要針對一些蛋白質(zhì)分子和細(xì)胞。利用這種檢測原理，魏琴研究組設(shè)計了一系列免標(biāo)記的ECL生物傳感器。其中一種設(shè)計方案: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別將前列腺特異性抗原固定到電極表面，構(gòu)成一個完整的ECL生物傳感器。由于PSA非電活性生物分子會阻礙電子傳輸，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PSA的檢測[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，研究了血小板對人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的粘附作用。與此同時，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)制了一種簡易的傳感平臺，利用細(xì)胞識別過程中產(chǎn)生的電子阻礙效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對MCF-7細(xì)胞的定量檢測[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)度就會相應(yīng)的發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對該分析物的檢測。

2.3 通過分析物對共反應(yīng)試劑的影響

如果待測物或其相關(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信號的變化，就可以實(shí)現(xiàn)該分析物的定量檢測目的。這種分析檢測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，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，會導(dǎo)致溶液中溶解O2的量較少，而同時原位生成H2O2。因此，CdTe QDs的陰極ECL信號降低，而PFO dots的陽極ECL信號相應(yīng)增強(qiáng)。基于OPs對乙酰膽堿酯酶(AChE)活性的抑制，從而建立起對OPs的檢測方法。

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[7]。該傳感器以rGO-CdTe QDs/Luminol作為ECL發(fā)光對，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)會催化次黃嘌呤與O2反應(yīng)，同時消耗O2產(chǎn)生H2O2，導(dǎo)致rGO-CdTe QDs/Luminol發(fā)光對ECL信號的反向變化，最終建立對次黃嘌呤的比率測定方法。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)胞等的檢測中發(fā)揮了潛在的應(yīng)用價值。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。