基于电致化学发光的手性传感器研究

发布时间：2020-06-15 16:17

【摘要】：手性广泛存在于自然界中,是三维空间物体的基本属性,表示一种重要的对称性。如果某物体与其镜像不能重合,就称其为手性物质,就如同左手和右手互为镜像而无法重合。构成生物系统的许多分子都是手性物质,如氨基酸、蛋白质、核酸、糖和酶等。手性分子的不同构型通常表现出截然不同的生理活性与代谢作用。因此,对手性分子的研究、识别、分析与检测在现代生命科学、药学、医学、农学、食品营养学以及其他相关领域意义重大。发展成本低廉、操作简单、检测快速、响应灵敏的手性识别技术也成为分析检测的研究热点。电致化学发光(ECL,electrogenerated chemiluminescence或electrochemiluminescence)分析技术是以电化学为基础,与化学发光相结合的产物,它同时兼具电化学的高可控性以及化学发光法的灵敏性,操作简单、可控、易于实现。电致化学发光主要是通过在电极表面的电化学反应产生发光,实现某些特定物质的定量定性分析。在电致化学发光体系中,发光物质的发光强度相对较低,当共反应试剂加入时,可以显著地提高发光强度。共反应试剂参与的电致化学发光具有很多优点,如灵敏度高、背景信号低、可控性强、仪器操作简单、分析简便快速、无需额外添加激发光源以及线性范围宽等,使其在食品安全检测、环境污染监测、临床诊断和生物医学等领域具有广阔的应用前景。这些优点也可以促使其在手性识别的研究领域发挥巨大的作用。纳米材料的表面效应和尺寸效应,使其具有比表面积大和表面活性位点多等诸多优点,能有效提高电极界面的电化学反应活性,可应用于信号放大策略,从而提高ECL传感器的灵敏度。另一方面,ECL发光物质的开发与研究也一直备受关注,从ECL手性传感器构建的角度出发,设计合成兼具发光和手性识别作用的新材料,对其应用研究的开发与拓展具有重大意义。基于以上内容,本文主要通过对电致化学发光物质的修饰,结合纳米材料的信号放大作用,构筑手性传感界面,以实现对氨基酸对映异构体和手性药物分子对映异构体的识别和灵敏检测。本论文的研究工作主要从以下几个部分展开:1.电致化学发光法用于手性识别抗坏血酸和异抗坏血酸实验设计利用环糊精作为手性选择剂,借助金铂碳纳米管的复合纳米材料固载环糊精,与此同时复合纳米材料还可放大信号,用电致化学发光的方法实现对抗坏血酸和异抗坏血酸的识别。实验将联吡啶钌、环糊精、复合纳米材料和全氟磺酸聚合物混合修饰于电极上,构筑了一个具有识别效应的固态ECL传感器。在传感器的构建中,抗坏血酸和异抗坏血酸可作为三联吡啶钌的共发光试剂,且二者在自然界中的来源和功能性具有差异,纳米材料具有优异的力学、电学、化学和光学性质,可应用于信号放大和固载材料;环糊精通过包络作用实现对分子识别。实验中采用扫描电子显微镜、紫外-可见吸收光谱和电化学技术等手段对纳米材料的形貌、组成以及修饰电极的电化学性质进行了表征和验证。实验结果表明环糊精与金属纳米材料的协同作用放大了环糊精的识别效果,且修饰电极对抗坏血酸具有较强的信号响应。同时,在7.5×10~(-3)~3.5×10~-33 mol?L~(-1)的浓度范围内,电致化学发光传感器对抗坏血酸和异抗坏血酸具有较好的线性相关性。此外,传感器还具有较好的稳定性、重现性和选择性。本实验设计的具有识别效应的电致化学发光传感器为手性识别研究以及电致化学发光的应用研究提供了新思路,拓宽了纳米材料在传感器研究中的应用。2.基于功能化金属有机框架纳米花的固态电致化学发光手性传感器研究本研究利用三联吡啶钌的衍生物三(4,4'-二羧基-2,2'-二联吡啶)合钌(II)六水合物与金属镉盐组装了一个具有电致化学发光性能的金属有机框架(MOF)纳米花,并用其构筑了固态的电致化学发光手性传感。金属有机框架是由金属离子或团簇与有机配体通过配位键组装形成的,具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料;可以通过调配中心金属离子或有机配体获得结构和功能多样性的新材料。纳米花状的MOF拥有多级的层状结构,大的表面积和便捷的电子传输通道,通过对比实验发现,本实验合成的纳米花状的MOF,相比于原配体具有较好电致化学发光性能。在电致化学发光研究中,手性小分子色氨酸对映异构体是钌配合物的共发光试剂,且其不同构型的对映体与钌配合物的发光能力不同;硫化镉量子点除了是ECL发光物质外,它还是钌配合物的阳极共发光物质;当两种共发光物质以不同的形式出现在ECL体系中时,二者由于竞争性作用会对ECL信号产生影响。实验利用溶剂交换相转移的方法制备C_(60)纳米颗粒溶液,再将其功能化用于钌ECL体系的信号放大,利用色氨酸对映异构体与硫化镉量子点的竞争性反应淬灭量子点与钌MOF的ECL信号,实现色氨酸对映异构体的识别与灵敏检测;通过逐步修饰的方式,将功能化的C_(60)、硫化镉量子点和钌MOF修饰于电极上,构筑了一个固态的“开-关”型ECL传感。研究采用多种技术手段验证了钌MOF纳米花的制备;对于传感器组装过程中用到的纳米材料也进行了相应的表征;同时,实验还采用电化学的方法表征了修饰电极的组装过程。在1.0×10~(-3)~1.0×10~-99 mol?L~(-1)的浓度范围内,修饰电极对色氨酸对映异构体具有较好的线性相关性。相应的实验结果表明传感器的稳定性和重现性也较好。本实验设计的基于钌金属有机框架的电致化学发光手性识别传感策略,为开发新型的小分子传感提供了思路,促进了基于金属有机框架的电致化学发光传感器的研究和发展。3.L-谷氨酸的高特异性固态电致化学发光手性传感器研究对鲁米诺体系的ECL传感的研究,多是将其放在测试底液中,具有背景信号大和操作繁琐等缺点。鲁米诺结构中的氨基具有一定的还原性,可以还原金属纳米粒子,实现发光物质与信号放大物质的结合,更好的促进ECL信号产生的同时也可以借助金属纳米粒子的作用实现鲁米诺固态ECL传感的构筑。碳量子点是具有量子效应的尺寸小于传统碳纳米材料的物质,且其结构中含有大量的羟基和环氧基,可以结合鲁米诺还原的金属纳米材料,并通过碳量子点的堆积作用将其固载制备固态鲁米诺ECL传感。实验设计合成一个鲁米诺与纳米材料相结合的新型固态ECL传感,用于识别和灵敏检测谷氨酸。结果表明鲁米诺还原的银纳米粒子再与碳量子点结合修饰于电极上的构筑方式,在实现发光物质固载构筑固态ECL传感的同时,也最大化的促进了ECL信号。酶具有特异性和专一性,作为手性选择剂对目标物具有更高的针对性,氨基酸氧化酶可以与金属银纳米粒子作用修饰于电极上,同时与相应的氨基酸发生反应,原位生成鲁米诺的共发光试剂过氧化氢,从而实现鲁米诺体系的高特异性固态ECL传感。实验采用L-谷氨酸氧化酶结合鲁米诺还原的银纳米粒子和碳量子点修饰的电极对L-谷氨酸实现了一个高选择性、高特异性的灵敏检测。实验采用多种技术手段表征了纳米材料的合成和修饰电极的组装。在5.0×10~(-6)~5.0×10~(-3) mol?L~(-1)的浓度范围内,传感器对L-谷氨酸具有较好的线性相关性,通过标准加入法测定了尿液中谷氨酸的含量;此外,传感器的稳定性、重现性和选择性均较好。本研究中的传感器信号放大理念和氨基酸氧化酶的应用可以用来设计发展更多的电致化学发光生物传感,具有一定的普适性。4.基于氮化碳纳米复合物的固态电致化学发光对手性药物普萘洛尔的识别研究实验研究拟从电致化学发光手性传感器的构建角度出发,修饰发光物质,设计合成兼具发光和识别功能的新材料,用于简化ECL手性传感的制备。类石墨烯相氮化碳(g-C_3N_4)是一类新的环境友好的电致化学发光物质,其制备工艺简单、热稳定性和光催化性能好且易于修饰。手性药物普萘洛尔对映异构体的不同构型具有不同的药理学活性,但其目前仍是以消旋体的形式入药,对其手性识别的研究就具有非常重要的意义和价值。实验用碳酸镉(CdCO_3)修饰g-C_3N_4,制备一个新型的具有发光性能的复合纳米材料CdCO_3-g-C_3N_4,借助碳酸镉与手性药物普萘洛尔对映异构体的作用不同,制备了具有识别功能的ECL传感器。紫外可见吸收光谱的测试分析表明不同构型的普萘洛尔与碳酸镉的结合能力不同,由此它们与复合纳米材料CdCO_3-g-C_3N_4的结合能力也不同,从而对g-C_3N_4/S_2O_8~(2-)体系的ECL信号的影响不同,进而实现普萘洛尔对映异构体的识别和量化分析。实验研究采用多种技术手段表征了纳米材料和修饰电极的性能。在1.0×10~(-6)~1.0×10~(-3) mol?L~(-1)的浓度范围内,该传感器对普萘洛尔对映异构体具有较好的线性相关性,传感器的稳定性、重现性和选择性也较好。研究通过修饰电致化学发光物质,合成了一个新的功能性纳米材料,并用其构筑了一个具有手性识别能力的电致化学发光传感,为电致化学发光在手性识别领域的应用研究提供了新思路。5.基于樟脑酸锌的固态电致化学发光对手性药物普萘洛尔的识别研究电致化学发光作为一个研究不过百年的新领域,仍有较大的发展空间。电致化学发光新材料的开发将为其发展和应用带来新的契机。在ECL研究中,锌离子具有较好的促发光能力,但对其发光性能的研究仍未见报道。樟脑酸是一种常用的旋光体拆分剂。实验设计合成樟脑酸锌配合物并将其用于固态ECL手性传感的构筑。实验用SEM技术手段表征了樟脑酸锌的形貌,X射线光电子能谱和傅里叶变换红外光谱技术手段验证了其组成元素和相应的官能团吸收波数的改变。实验利用樟脑酸锌制备修饰电极,在缓血酸胺-盐酸的缓冲体系中发现其具有ECL性能,通过不同的ECL测试方式,推测了樟脑酸锌的ECL机理。实验还借助紫外可见吸收光谱的研究,验证了樟脑酸锌与不同构型的普萘洛尔作用不同,据此构建了信号减小型的固态ECL手性传感,用来识别和检测手性药物普萘洛尔。在1.0×10~(-6)~1.0×10~(-3) mol?L~(-1)的浓度范围内,传感器对普萘洛尔对映异构体具有良好的线性相关性。此外,该传感器的稳定性、重现性和选择性也较好。在樟脑酸锌ECL发光机理的研究中,实验还发现锌离子也可以在缓血酸胺-盐酸的缓冲体系中产生ECL信号。这一具有识别和电致化学发光性能的新物质的发现和研究为开展新型的电致化学发光体系和设计新的电致化学发光传感器研究奠定了基础,具有重要意义。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O657
【图文】：

不对称碳,对映异构体,分子,碳原子

图 1-1 对映异构体分子Fig. 1.1 Structural formula of enantiomer molecules的手性通常是源于结构中的不对称碳。碳原子可以以共价单键的同的基团，四个基团可以形成不同的空间连接方式。在生物化学的见的一类物质就是 -氨基酸，其中心碳原子上连接有一个氨基、[3]

医药产品,关键成分,反应停,研究领域

图 1-2 反应停结构式Fig. 1.2 Chemical structure of thalidomide疗医药的研究领域中，许多医药产品或者其关键成分均是手性化分子进入生命体这个大的手性环境中时，通过与体内物质的手出药理活性。这就使的不同构型的手性药物在药物代谢、药理活[10-15]

【参考文献】