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聚苯乙烯类光子晶体:信号放大和低电位电化学发光传感器检测四环素

电化学发光技术 (ECL) 具有设备简单、检测背景低、灵敏度高、检测范围宽等优点,广泛应用于医疗诊断、食品安全检测和环境监测等领域。传统的三联吡啶钌/三丙胺(Ru(bpy)32+/TPrA)ECL体系的触发电位约为+1.2 V(vs SCE)。但是,1.2 V接近于水的电解电位,这种高触发电位可能会在电极表面形成气泡,损伤薄层微电极。此外,高触发电位也会干扰生物分子的稳定性(例如,寡核苷酸序列将在+1.0 V的电压下被破坏)。因此,很有必要构建一个低触发电位的ECL系统。


光子晶体 (PCs) 是一种具有纳米粒子周期性结构的介电材料,具有明亮的结构色彩。通过改变聚苯乙烯 (PS) 球的半径,可以调节所制备光子晶体结构的光子禁带。由于其对电磁波信号强度具有良好的光调节作用,PCs是具有自发发射放大和控制光传播的理想材料。


王晓艳、朱凯迪、朱进、丁收年利用聚苯乙烯类光子晶体和填充在光子晶体缝隙里的金纳米颗粒组成的GPCs电极构建了信号放大和低氧化电位的电化学发光传感器。GPCs电极作为检测平台结合抗原,Ru(bpy)32+-COOH作为发光体标记在抗体(Ab)上。然后通过免疫反应将Ru(bpy)32+-COOH/Ab与固定化抗原在光子晶体表面相连,避免与纳米金表面直接接触。Ru(bpy)32+-COOH不能在电极表面直接氧化,只有通过电化学氧化TPrA才能引发ECL发射。TPrA氧化产生的TPrA•+和TPrA自由基能够在Ru(bpy)32+-COOH附近短距离扩散,并与Ru(bpy)32+-COOH发生反应,最终产生ECL发射。由于TPrA氧化峰电位(0.95 V)低于Ru(bpy)32+-COOH氧化峰电位 (1.25 V),因此,所得ECL比普通ECL,促发电位约低300 mV。此外,实验结果证实该光子晶体结构具有增强电化学发光的功能,其增强因子约5倍左右。随后,通过GPCs电极的竞争免疫法成功检测出了四环素类抗生素模型化合物,检出限为0.075 pg/mL (S/N=3),这一方案在免疫检测与核酸检测等领域具有一定的应用前景。

图1. 信号放大和低触发电位电化学发光机理图


图2. 信号放大和低触发电位电化学发光传感器的制备过程及检测原理


这一研究成果近期发表在Analytical Chemistry 上,东南大学化学化工学院博士研究生王晓艳和硕士研究生朱凯迪为该文章的共同第一作者,丁收年教授为通讯作者。该课题组长期从事电化学发光生物传感器与微纳材料的精准制备,该研究工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。


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Photonic Crystal of Polystyrene Nanomembrane: Signal Amplification and Low Triggered Potential Electrochemiluminescence for Tetracycline Detection

Xiao-Yan Wang, Kai-Di Zhua, Jin Zhu, Shou-Nian Ding

Anal. Chem., 2021, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c04613


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