电致化学发光传感器研究进展

林欢欢,陈溢滨，皇怡甜，林佩灵，曾宝珊*， 李秀华*，陈 哲

(1.福建师范大学化学与材料学院,福建 福州 350001; 2.闽江师范高等专科学校化学与生物工程系,福建 福州 350108)

近年来，随着科学技术的迅猛发展和各种疾病的不断发生，人们对各类物质检测的需求日益增大，涌现出许多新型的分析技术。其中，ECL生物传感器已经在细胞、蛋白质、病原体和小分子毒素等检测方面展现出广阔的应用前景[1]，因此，在食品安全监控、临床医学、环境监控等领域发挥了不可取代的重要作用[2]。

1 ECL生物传感器

ECL生物传感器是一种由生物识别元件(酶、蛋白质、抗体、抗原、DNA、生物膜等)和信号转换单元有机结合的的分析设备。生物识别部分重在设计不同的传感策略以实现不同物质的检测，信号转换单元的重点在于寻找优良性能的增敏材料，这些材料需具备较高的表面电活性，具有特殊的孔道结构，良好的物理化学稳定性和生物兼容性等，用于ECL生物传感器的高效传感层构建。常用的有无机纳米材料：SiO2、TiO2、石墨烯类物质、碳纳米材料等；有机高分子材料：酞菁类衍生物、聚酰胺-胺、聚乙烯亚胺、二茂铁类衍生物等。

ECL生物传感器作为一种由ECL分析方法和生物传感技术完美结合的暂新检测装置，在目标物分析中展示出许多显著的优点。首先，ECL生物传感装置无需外加光源，减少了来自散射光和其他不必要光引起的背景噪声。其次，ECL是通过在电极表面施加合适的电位来引发和调节的，这样可以精确地控制光发射的时间和位置，从而提供了优良的可再生性和较高的灵敏度。第三，ECL活性材料和反应的多样性使它们在不同的生物传感领域具有广阔的应用前景。此外，从实际考虑来看，ECL生物传感器还具有响应速度快、操作过程简单、设备成本低等优点[3]。

2 检测原理

通俗地讲，任何能够增强或抑制ECL过程从而引起ECL信号变化的物质都可以通过ECL生物传感器实现其定量检测。根据目标物的不同种类和特性，可以将ECL生物传感器的检测原理分为几种类型。

2.1 利用生物识别过程中的位阻效应对ECL信号的影响

这种分析策略主要针对一些蛋白质分子和细胞。利用这种检测原理，魏琴研究组设计了一系列免标记的ECL生物传感器。其中一种设计方案:利用掺杂银纳米颗粒的铅离子结合β-环糊精合成金属有机框架结构的复合物，该复合物作为发光探针同时被用作生物传感器的传感基质，将其修饰到玻碳电极表面之后，通过银纳米颗粒与氨基之间的化学键合作用，将前列腺特异性抗原对应的抗体连接到电极表面，用牛血清蛋白封闭之后，利用抗原与抗体之间的特异性识别将前列腺特异性抗原固定到电极表面，构成一个完整的ECL生物传感器。由于PSA非电活性生物分子会阻碍电子传输，降低ECL 发光基团朝电极界面扩散的速率，从而导致ECL强度降低。因此，随着PSA 浓度的增加，ECL 强度逐渐降低，最终实现对PSA的检测[4]。此外，Yang等人[5]发展了一种双层锌共吸附碳量子点(ZnCQDs)核壳纳米探针，研究了血小板对人脐静脉内皮细胞的粘附作用。与此同时，该研究组将苯胺电聚合到电极界面，并以CdS 量子点作为发光基团，金纳米颗粒(Au NPs)作为载体，构制了一种简易的传感平台，利用细胞识别过程中产生的电子阻碍效应，实现了对MCF-7细胞的定量检测[6]。

2.2 通过分析物与ECL发光体的相互作用

分析物及其相关物如果能与ECL发光体、ECL发光体自由基或激发态物种发生反应，并对ECL发光基团的组成或浓度产生影响，其ECL发光强度就会相应的发生变化，从而实现对该分析物的检测。

2.3 通过分析物对共反应试剂的影响

如果待测物或其相关物质能产生或消耗共反应物，或者抑制共反应物的氧化还原反应或消耗共反应试剂产生的自由基，从而引起ECL信号的变化，就可以实现该分析物的定量检测目的。这种分析检测原理通常用于酶催化反应控制的比率型生物传感器的研制。西南大学袁若小组首先探索了一种新型的有机磷农药(OPs)双电位ECL比率传感方法[6]。以CdTe量子点和聚合物点(PFO dots)作为ECL发光对，以溶解O2和H2O2分别作为其共反应物。当乙酰胆碱酯酶(AChE)和胆碱氧化酶(ChOx)起催化作用时，会导致溶液中溶解O2的量较少，而同时原位生成H2O2。因此，CdTe QDs的阴极ECL信号降低，而PFO dots的阳极ECL信号相应增强。基于OPs对乙酰胆碱酯酶(AChE)活性的抑制，从而建立起对OPs的检测方法。

另外，该课题组利用相同的思路，建立了次黄嘌呤(Hx)的比率型ECL生物传感平台[7]。该传感器以rGO-CdTe QDs/Luminol作为ECL发光对，同样地，溶解O2和H2O2分别作为其共反应物。在次黄嘌呤存在的情况下，黄嘌呤氧化酶(XOD)会催化次黄嘌呤与O2反应，同时消耗O2产生H2O2，导致rGO-CdTe QDs/Luminol发光对ECL信号的反向变化，最终建立对次黄嘌呤的比率测定方法。这一课题组将酶催化方法与ECL生物传感技术完美结合，提高了分析检测的灵敏度。

3 展望

ECL生物传感器目前已经在DNA、单核苷酸多态性、活性生物小分子、蛋白质和肿瘤细胞等的检测中发挥了潜在的应用价值。而基于以上不同的传感原理，可以构建多种不同传感模式的ECL生物传感器，从而进一步拓宽ECL传感器的应用范围。