论文题目：基于高效电致化学发光有机纳米新材料用于构建生物传感平台的研究
摘要：随着现代纳米技术及生命分析技术的高速发展,电致化学发光（ECL）作为灵敏、高效的检测技术,逐渐成为生化分析、生物医学、环境科学及食品工业等领域强有力的分析工具。电致化学发光纳米材料具备可控的ECL发光性能,大的比表面积和优异的电子传递能力,正朝着高效、多功能、绿色的方向发展;近年来,结构多样、光谱可调的ECL有机纳米材料在生物传感,ECL器件,环境监测等领域崭露头角。在分析传感方向,如何提高传感平台的检测灵敏度是贯穿整个研究的重难点,目前主要面临以下两点挑战:（1）如何发展ECL反应新途径,克服ECL纳米材料发光效率低的缺陷。（2）如何提高目标物和信号探针之间的高效转化,为构建超灵敏ECL生物传感平台提供新方法。针对以上两个关键问题,本研究合成了多种有机ECL纳米新材料,采用显著提高发光体ECL发光效率的ECL反应途径结合功能核酸放大新策略,构建ECL生物传感平台用于疾病标志物的超灵敏检测,为有机纳米新材料在ECL生物传感和成像方面的研究提供新思路。本论文的研究工作主要分为以下几部分:1.基于红荧烯微米棒作发光体结合铂纳米材料作共反应促进剂构建的新型三元电致化学发光体系用于超灵敏检测micro RNA的研究溶解氧（O2）作为ECL体系中唯一的内源性共反应试剂,具有反应温和、操作简单的特点,但其氧化活性低,产生活性氧自由基（ROS）能力弱,对发光体的ECL信号增强效果较差,限制了其在生物分析中的进一步应用。本工作通过原位还原铂纳米花到发光体红荧烯微米棒（Pt NFs@Rub MRs）表面作为溶解O2的共反应促进剂,不仅能增加材料表面溶解O2的局部浓度,同时加速O2产生大量的ROS,显著提高Rub MRs的ECL信号。基于Pt NFs@Rub MRs/O2三元ECL体系结合二茂铁猝灭的背景信号降低策略及目标物诱导的循环酶放大（TICEA）反应构建高效的“on-off-on”型ECL生物传感平台用于超灵敏检测癌细胞中的micro RNA-141,其检测范围为10 amol/L至100pmol/L,检测限为2.1 amol/L。该工作同时引入Pt NFs和铂纳米粒子（Pt NPs）作为溶解O2的共反应促进剂在ECL传感平台的不同响应阶段显著提高体系的ECL信号,为三元ECL体系在超灵敏ECL生物分子检测的应用中开辟了新路径。2.基于9,10-二苯基蒽纳米块结合一步DNA步行器放大策略构建电致化学发光生物传感平台检测micro RNA的研究多环芳烃（PAHs）在有机相中ECL发光性能良好,但其在水溶液中存在溶解度低、自由基不稳定等缺陷,导致PAHs在水相中ECL信号弱,严重限制了其在生物分析中的应用。本工作中以水溶性高分子作为保护剂,采用形貌控制技术合成9,10-二苯基蒽纳米方块（DPA NBs）,其在水溶液中有良好的分散性和稳定性,通过原位还原铂银（Pt Ag）合金作为溶解O2的共反应促进剂合成Pt Ag@DPA NBs,将其作为ECL基底材料获得强的ECL信号。随后在电极表面组装大量的二茂铁探针（Fc-DNA）用于降低背景信号。通过引入DNA步行器信号放大策略,结合三元ECL体系（Pt Ag@DPA NBs/O2）构建“off-on”型ECL生物传感器。当micro RNA-141存在时,启动电极表面的DNA步行器,循环剪切Fc-DNA探针,从而恢复ECL信号,实现目标物micro RNA-141的灵敏检测,检测范围为100 amol/L至1 nmol/L,检测限29.5 amol/L。该工作结合三元ECL新体系与核酸放大策略,显著提高传感器的检测灵敏度,在癌症早期诊断中展示出极大的潜力。3.近红外聚集诱导增强电致化学发光体四苯乙烯纳米晶用于超灵敏micro RNA分析鉴于目前已报导的近红外电致化学发光（NIR ECL）发光体（如半导体量子点和金属纳米簇）面临的生物毒性及发光效率低的问题,本工作合成的四苯乙烯纳米晶（TPE NCs）作为NIR ECL发光体,具有较高的ECL发光效率和良好的生物相容性。根据实验证明和理论计算推测,TPE NCs的聚集诱导增强ECL发射来源于提高电子空穴复合效率及抑制非辐射跃迁的双重作用。随后,将TPE NCs作为ECL发光体并结合β-环糊精（β-CD）和二茂铁（Fc）之间的分子识别作用提高生物分子在电极表面的捕获效率,构建超灵敏,多功能的ECL生物传感平台,能定量检测micro RNA-141,其线性范围从100 amol/L至1 nmol/L,检测限低至13.6 amol/L。该项研究设计合成的聚集诱导增强ECL发光体不仅扩大了近红外有机ECL纳米材料在生物传感,ECL成像等领域中的应用,对高效ECL发光探针的设计具有重要的理论意义与应用价值;同时采用目标循环酶放大（TCEA）策略和β-CD与Fc之间的分子识别,为超灵敏生物分子的检测揭示了一条新途径,有望应用于临床疾病诊断。4.四苯基烯烃纳米晶的结晶诱导增强电致化学发光用于超灵敏传感分析有机纳米材料由于具有结构多样、多色发光等优点,在光学电子器件和ECL生物传感领域备受关注,但目前正面临着ECL发光效率低的难题。本工作设计合成了一系列有序分子结构的四苯基烯烃纳米晶（TPA NCs）,通过改变TPA分子骨架上乙烯基的数量和苯环的位置探索结晶诱导增强（CIE）ECL发射效应的规律。在上述TPA NCs中,四苯基-1,3-丁二烯（TPB）NCs通过共反应试剂途径呈现出超强的ECL发射,与[Ru（bpy）3]2+/TEA体系比较,ECL发光效率高达31.53%,其ECL信号是游离TPB分子的数千倍。TPB NCs的高ECL发光效率源于纳米晶体a轴上独特的J聚集体高效的电子转移,显著促进了辐射跃迁,同时,通过限制晶体中TPB分子的自由旋转,进一步抑制非辐射跃迁。由于多巴胺（DA）可以通过电化学氧化形成苯醌物种在TPB NCs/TEA体系中实现中间体自由基和激发态猝灭。因此,本工作将具有CIE ECL发射特性的TPB NCs用于构建超灵敏的ECL生物传感平台,实现多巴胺（DA）的灵敏检测,其线性范围为5 nmol/L至10μmol/L,检测限为3.1 nmol/L。该项研究提出的结晶诱导增强ECL发射策略揭示了有机纳米材料ECL信号放大的新途径,推动了其在高强度ECL发光器件和超高分辨ECL成像领域的发展,在传感分析,生物医药领域具有广阔的应用前景。
关键词：电致化学发光;有机纳米材料;共反应促进剂;聚集诱导增强;生物传感
学科专业：化学
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 电致化学发光技术
1.2 电致化学发光生物传感器
1.3 本文研究思路及研究内容
第2章 基于红荧烯微米棒作发光体结合铂纳米材料作共反应促进剂构建的新型三元电致化学发光体系用于超灵敏检测microRNA的研究
2.1 引言
2.2 实验部分
2.3 结果与讨论
2.4 结论
第3章 基于9,10-二苯基蒽纳米块结合一步DNA步行器放大策略构建电致化学发光生物传感平台检测microRNA的研究
3.1 引言
3.2 实验部分
3.3 结果与讨论
3.4 结论
第4章 近红外聚集诱导增强电致化学发光体四苯乙烯纳米晶用于超灵敏microRNA分析
4.1 引言
4.2 实验部分
4.3 结果与讨论
4.4 结论
第5章 四苯基烯烃纳米晶的结晶诱导增强电致化学发光用于超灵敏传感分析
5.1 引言
5.2 实验部分
5.3 结果与讨论
5.4 结论
第6章 总结与展望
参考文献
致谢