高强度长时间化学发光功能化材料及其分析应用

发布时间：2020-11-05 09:10

　　 论文首先综述了化学发光基本概念、化学发光功能化材料以及基于化学发光功能化材料的分析方法的研究现状。化学发光功能化材料具有优异的化学发光活性、生物相容性、易于自组装和良好的稳定性等优点,可作为分析探针或分析界面发展生物分析方法。绝大多数已知的化学发光功能化材料表现出闪光型光发射,它们已被应用在临床诊断、食品安全和环境检测等领域对各种分析物进行测定,并且具有高灵敏度以及宽线性范围等优点。然而,闪光型化学发光反应很快,往往会导致分析精确度较差,极大地限制了其实际应用。长期以来,高强度、长时间的化学发光是化学发光领域一直追求的目标。在分析化学领域,在分析时间内具有稳定的化学发光发射能够提高分析的精确度和重现性。此外,已有的化学发光功能化材料的合成方法存在步骤较繁琐、试剂易脱落或泄露等问题。如何进一步改进合成方案,优化发光试剂、催化剂与纳米材料的组合,获得发光性能更加优异的双功能化纳米材料也仍然是一个巨大的挑战。本论文以“高强度长时间化学发光功能化材料及其分析应用”为研究课题,开展了一系列研究工作。合成了两种高强度长时间化学发光功能化材料,研究了其化学发光强度和持续性方面的特性,并探讨了相关发光机理。提出了新的化学发光功能化纳米材料的合成思路,在不需要添加络合剂的条件下,合成了两种新型的化学发光试剂和催化剂功能化的纳米复合材料,研究了其化学发光特性,并将其用作化学发光纳米分析界面,发展了一种无标记化学发光免疫分析方法,用于急性心肌梗死(AMI)标志物和肽素的快速灵敏检测。主要研究内容如下:1、采用天然材料壳聚糖(CS)、化学发光试剂N-(4-氨丁基)-N-乙基异鲁米诺(ABEI)和催化剂钴离子(Co~(2+)),合成了一种模拟萤火虫高强度长时间化学发光的ABEI/Co~(2+)/CS水凝胶材料。当该水凝胶与H_2O_2反应时,其发光在暗室中肉眼可见,且持续时间超过150小时。研究发现:99.8%Co~(2+)被固定在水凝胶骨架上,而89.5%ABEI分散在水凝胶孔洞中,且H_2O_2在水凝胶中扩散速率很慢,提出了新的“辉光”型化学发光机理-慢扩散控制的异相催化作用机理。当加入氧化剂H_2O_2,其缓慢扩散进入水凝胶,被位于活性中心的催化剂Co~(2+)分解产生活性自由基,接着与化学发光试剂反应产生化学发光。由于Co~(2+)的螯合和异相化作用增强了其催化活性和稳定性,且具有微米/纳米孔洞和高粘度的水凝胶大大降低H_2O_2的扩散速度,从而产生了强而长的化学发光。本项工作在化学发光动力学和催化特性方面模拟了萤火虫生物发光,其发光时间明显优于现有的长时间化学发光体系,如酶参与的化学发光体系和过氧化草酸酯化学发光体系,且该水凝胶合成简单、环境友好、生物兼容性好,为发展无标记纳米化学发光新一代体外诊断技术奠定重要的基础。与此同时,在冷光源、生物传感器、微芯片和生物成像等领域也具有重要的应用潜力。2、合成了具有双催化体系的Co~(2+)/辣根过氧化物酶(HRP)/ABEI功能化CaCO_3微球(HRP/ABEI/Co~(2+)-CaCO_3 MPs)。该材料展现出高强度“辉光型”化学发光发射,其发光在暗室中肉眼可见,并可持续近8小时。与仅包含单一催化剂的ABEI/Co~(2+)-CaCO3微球和HRP/ABEI/CaCO_3微球相比,具有双催化体系的HRP/ABEI/Co~(2+)-CaCO_3微球在化学发光反应启动后的前3小时内能产生更强的化学发光。此外,在发光强度方面,与上一工作中的ABEI/Co~(2+)/CS水凝胶相比,本工作的材料在发光反应启动后的第1个小时内具有显著更强的光发射。HRP/ABEI/Co~(2+)-CaCO_3 MPs优异的化学发光性能归因于我们将多孔CaCO_3微球的高负载能力和良好的生物相容性,与由Co~(2+)/HRP组成的双催化体系所产生的协同效应巧妙地结合在了一起。该材料是中性材料,具有良好的生物相容性以及高强度和持续性的发光特性,在生物分析、生物成像、环境监测和生命科学等诸多领域具有广阔的应用前景。3、充分利用了聚多巴胺丰富的表面活性基团,通过简单的合成策略制备了ABEI和Co~(2+)双功能化的聚多巴胺纳米球复合材料(Co~(2+)-ABEI-PDA)。首先,利用多巴胺分子在碱性条件下的自聚性,获得了聚多巴胺纳米球。然后将化学发光试剂ABEI的氨基通过迈克尔加成反应共价连接到PDA的苯环上,并利用聚多巴胺中的吡咯N以及儿茶酚的羟基与催化剂Co~(2+)发生螯合,将大量催化剂Co~(2+)同时固载在PDA纳米球上,得到ABEI和Co~(2+)双功能化聚多巴胺纳米球。该Co~(2+)-ABEI-PDA纳米球表现出优异的化学发光活性,与不含催化剂的ABEI-PDA纳米球相比,其发光强度增强了近4000倍,超过了使用Cr~(3+)、Pb~(2+)、Fe~(2+)、Fe~(3+)、Cu~(2+)、Cd~(2+)、Mn~(2+)、Hg~(2+)、Ni~(2+)、Au~(3+)来代替 Co~(2+)所合成的各种其他金属离子-ABEI-PDA纳米球。该优异的化学发光特性可归因于以下两方面因素的综合:固载在PDA中的Co络合物能够有效地削弱PDA的自由基清除能力以及其对ABEI-H_2O_2体系的化学发光反应具有良好的催化性。该工作通过选择具有丰富活性官能团的纳米材料作为固载化学发光试剂和催化剂的载体,在不需要使用螯合剂的情况下,实现了化学发光试剂和催化剂高效负载在纳米界面上,获得了发光性能优异的新材料。为设计具有优异化学发光性能的化学发光双功能化纳米材料提供了新的思路,具有重要的意义。4、充分利用了聚多巴胺较好的还原性、丰富的表面活性基团以及良好的生物兼容性,合成了多功能化聚多巴胺纳米球复合材料Co~(2+)-ABEI-AuNPs-PDA。该Co~(2+)-ABEI-AuNPs-PDA具有优异的化学发光特性。进一步地,在该材料上组装识别元素抗体分子,以得到高化学发光性能的免疫分析界面,由此构建了一个无标记化学发光免疫分析平台用于检测AMI标志物和肽素。该分析平台用于检测和肽素时,展现了 10~(-12)～10~(-7)g/mL的较宽线性范围和较低的检测限3.25×10~(-13)g/mL。该分析平台还具有良好的重现性与稳定性,可用于对急性心肌梗死患者血清中和肽素进行检测,在临床急性心肌梗死的快速诊断中具有良好的应用前景。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34
【部分图文】：

一叫?ＱＣ??Ｕ?Ｌｈ??图１．９鲁米诺－Ｋ３Ｆｅ（ＣＮ）６－ＺｎＳｅ量子点化学发光体系可能的发光机理图【９２］。??１．２．４．４酶催化的化学发光反应??酶作为催化剂具有催化效率高、选择性高、反应条件温和等优点。在化学??发光领域有两种常见的酶催化化学发光体系：鲁米诺－过氧化酶体系、金刚烷－??碱性磷酸酶体系。以辣根过氧化物酶为例，作为催化剂，它可以作为电子受体??催化鲁米诺的氧化物Ｈ２０２分解，在鲁米诺增强的化学发光反应中起着至关重要??的作用。对于该体系的增强剂（如取代酚［９４］、取代硼酸｜９５］等），加入后可以进??一步增加光强且获得更长时间的光发射［９６］。刘课题组使用４－（１，２，４－三唑－１－基）??苯酚作为增强剂，使ＨＲＰ催化的鲁米诺－Ｈ２〇２反应产生相对持续稳定的较高强??度的光发射。如图１．１０所示，采用“双抗夹心”策略构建传感器，对血清中可??丙型肝炎病毒可实现高灵敏的检测［９７］。??１２??

Ｒｏｕｘ课题组首先制备二氢硫辛酸－封端的金纳米颗粒，再通过二氢硫辛酸??的羧基与鲁米诺的氨基酰胺化反应将鲁米诺连接在纳米金表面获得鲁米诺－金??纳米复合物１１（）４］，如图１．１２所示。杨课题组使用３－巯基丙酸连接金纳米和鲁米??诺，合成鲁米诺－金复合物［１５］，并用其标记二抗，作为化学发光探针检测血清中??癌胚抗原。??１４??

颗粒表面［１７］。鲁米诺既充当还原剂还原氯金酸又充当保护试剂，并通过Ａｕ－Ｎ??连接在金纳米表面。随后通过“一步法”合成多种鲁米诺及其衍生物功能化的??纳米金［１Ｑ５］、纳米银复合物［１Ｑ６］，如图１．１３所示。此类材料合成简单且具有良好??的化学发光性能，并利用这些材料构建了一系列化学发光免疫传感器，实现多??种疾病标志物的灵敏检测。??１５??
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 杜君俐;;化学发光光源及其应用[J];甘肃化工;1994年01期

2 张敏;;化学发光法在儿童生长激素缺乏症诊断中的应用[J];临床医药文献电子杂志;2016年43期

3 包杰;;用化学发光法和甲苯胺红不加热血清试验法诊断梅毒的准确性对比[J];当代医药论丛;2015年13期

4 马奎爱;;化学发光与放免法检测性激素的对比研究[J];人人健康;2016年24期

5 张彩梅;党生亮;;浅议化学发光法诊断系统检测乙型肝炎表面抗原[J];中国医药指南;2013年06期

6 田军;权城;王丽彬;宋小海;;底物因素对化学发光法检测促甲状腺激素的影响[J];中国医学创新;2012年03期

7 占葆娥;李伟雄;梁广佳;;ELISA与化学发光法测尿微量白蛋白临床评价[J];中国热带医学;2008年12期

8 马艳;;化学发光法在水分析、大气监测中的应用[J];江苏环境科技;2008年S1期

9 吴志周;祝新;柯建良;黄澍杰;;TPPA法与化学发光法检测梅毒螺旋体特异性抗体的比较[J];岭南皮肤性病科杂志;2008年03期

10 徐金明;陶慧林;;化学发光法测定氨基酸新进展[J];氨基酸和生物资源;2007年04期

相关博士学位论文 前10条

1 刘雅婷;高强度长时间化学发光功能化材料及其分析应用[D];中国科学技术大学;2019年

2 李琪;金属离子催化剂和发光试剂双功能化二维纳米材料的合成、化学发光及其分析应用[D];中国科学技术大学;2018年

3 张定坤;基于电晕法产生负离子的化学发光与杀菌效应研究[D];清华大学;2017年

4 郑永赞;通过NaHSO_3诱导的化学发光研究g-C_3N_4的性质与应用[D];清华大学;2017年

5 聂迎春;化学发光活体成像新探针的设计合成及其小动物成像探索[D];陕西师范大学;2013年

6 郭颖;碳点的结构修饰及在光学分析中的应用[D];陕西师范大学;2015年

7 马超;基于纳米磁分离和化学发光的肝炎分子检测新技术研究[D];东南大学;2018年

8 申金山;基于人工神经网络的化学发光法及光度法在多组分同时测定中的应用研究[D];四川大学;2005年

9 韩素琴;化学发光及其与毛细管电泳联用技术的应用研究[D];西北大学;2005年

10 梁耀东;化学发光新体系、电化学发光新方法的研究及应用[D];西北大学;2006年

相关硕士学位论文 前10条

1 邓莉;基于两端封闭发卡型DNA酶和dsDNA-SYBR Green I光敏催化的化学发光传感新技术[D];成都理工大学;2018年

2 赵坤;具有双催化中心的超强化学发光银纳米团簇的合成及性质研究[D];中国科学技术大学;2018年

3 黄瑶;化学发光、放大和免疫多功能化纳米金的组装及其在无标记免疫分析中的应用[D];中国科学技术大学;2018年

4 李素;化学发光适体传感器在食品污染物检测中的应用研究[D];南昌大学;2018年

5 杨东琴;金纳米簇及染料参与的化学发光方法及应用研究[D];西南大学;2018年

6 徐永仲;三种肿瘤标志物化学发光免疫检测方法的建立[D];长春理工大学;2018年

7 于美;聚集诱导发光表面活性剂增敏过氧草酸酯化学发光机理及应用研究[D];北京化工大学;2018年

8 刘雪婷;基于化学发光共振能量转移的纳米探针用于成像检测碱性磷酸酶[D];山东师范大学;2018年

9 陈晓霞;铜纳米簇化学发光新体系的研究及其应用[D];山西师范大学;2018年

10 刘丽丽;氮、铽掺杂碳纳米点的制备及其分析应用[D];华中科技大学;2018年

本文编号：2871424