电致化学发光研究的新材料和新方法-厦门大学
第23卷第12期2011年12月
化 学 进 展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol.23No.12 Dec.2011
收稿:2011年3月,收修改稿:2011年5月
?国家自然科学基金面上项目(No.21175112)资助??Corresponding author e?mail:xichen@https://www.sodocs.net/doc/5913514004.html,
电致化学发光研究的新材料和新方法?
罗 峰1 林志杰2 陈 曦2??
(1.福建省计量科学研究院 福州350003;
2.厦门大学化学化工学院化学系 厦门361005)
摘 要 由于方法的使用范围广、光学系统简单和操作容易,电致化学发光(ECL )得到人们的广泛重视。随着对ECL 研究的深入,ECL 研究所涉及的领域和层面已有很大的扩展,特别是近十年来,ECL 研究发展更为迅猛。除ECL 理论研究外,为了适应分析检测的应用的需求,ECL 在新材料、新实验技术和方法方面出现了许多的研究报道。本文综述最近几年来ECL 研究在新材料应用和新实验技术的开发方面的一些进展,包括纳微米材料和量子点材料在ECL 方面的研究,同时对固态ECL 和基于三原色(RGB )机理的可视化ECL 研究进展,进行了一些讨论。最后,综述展望纳米和量子点材料修饰电极ECL 的研究和应用的前景。
关键词 电致化学发光 新材料 新方法
中图分类号:O667.39 文献标识码:A 文章编号:1005?281X(2011)12?2588?10
Novel Materials and Approaches for Electrochemiluminescence Studies
Luo Feng 1 Lin Zhijie 2 Chen Xi 2??
(1.Fujian Research Institute of Metric Science,Fuzhou 350003,China;
2.Department of Chemistry,College of Chemistry and Chemical Engineering,
Xiamen University,Xiamen 361005,China)
Abstract Electrochemiluminescence (ECL)approaches have been received great attention due to their
versatility,simplified optical setup,and good temporal and spatial control.With the extension of ECL study,ECL has been applied in a lot of fields,and got great development in recent ten years.Besides their theory studies,to
meet the ECL analytical applications,there have been many reports on new materials and approaches for ECL study.In this review,we focus on the ECL applications of new materials and techniques and summary the recent development of ECL,including nano?micro and quantum dot materials for ECL studies.In addition,solid?state ECL and visible ECL approaches based on red?green?blue(RGB)tri?color system are also discussed.Finally,the prospect of ECL studies and applications using nano or quantum dot modified electrodes is presented.
Key words electrochemiluminescence;new materials;new approaches
Contents
1 Introduction 2 New ECL materials 2.1 Metal complexes
2.2 Nano?micro materials based on Ru complexes
2.3 Quantum dot materials for ECL 3 New development of ECL techniques
3.1 Solid?state ECL
3.2 New approaches of ECL for bio?analysis 3.3 Visible ECL technique 4 Conclusions and outlook
第12期罗 峰等 电致化学发光研究的新材料和新方法·2589 ·
1 引言
电致化学发光(electrogenerated chemiluminescence,ECL)是指发光物质在电极表面经由电化学和化学
反应后,形成高能的激发态,再经弛豫而产生光的过程。ECL 由电化学反应激发产生,无需外界激发光源,因此该方法具有低信号背景和高灵敏度的特点。由于发光过程是由所施加的电压控制的,该方法具有很强的可控性。另外,ECL 强度与共反应物浓度成正比,因此ECL 方法被广泛地应用于分析检测中,并逐渐发展成为分析化学的一个重要的分支。近年来对其研究和应用也有一些综述报道[1—3],如Xu 等对ECL 的现象、发光机理和应用[1],特别是联吡啶钌类配合物的ECL 研究进行了比较全面的综述[2]。ECL 的发光过程涉及到发光物质在电极表面的电化学反应以及中间产物的化学反应,根据发
光过程电位控制的方法以及参与发光反应的物质种类,可以将ECL 方法分成两类:湮灭型ECL
(annihilation ECL)(图1,途径a)和共反应物参与型ECL(coreactant ECL)(图1,途径b)。对湮灭型图1 电致化学发光原理示意图
Fig.1 Diagram of the ECL reaction mechanism
ECL,方法是在电极表面施加一交变电压脉冲,使在电极表面迅速形成发光物质的氧化态(自由基)和
还原态(自由基)。氧化态和还原态产物在发生湮灭反应后,形成发光物质的激发态,再经弛豫后发光。而对共反应物参与型ECL 的电氧化过程中,ECL 试剂与共存物质同时氧化,共存物迅速被氧化为高能自由基中间态,ECL 试剂与该高能自由基发生反应,形成激发态,经弛豫而发光。这种共反应物参与型的ECL 过程为“氧化?还原”型。该种类型的共反应物最为典型的反应体系为三丙基胺(tripropylamine,TPA)?联吡啶钌的反应体系
[3]
。Xu
等还发现了具有很高检测灵敏度并对环境绿色友好的共反应物—二丁氨基醇[4]。由于共反应物的存在可以极大增强ECL 的强度,并且产生的光强与共反应物的浓度相关,因而,该类型的ECL 被广泛地应用于分析检测中。
2 新型ECL 材料
2.1 金属配合物
在所有ECL 化合物中,联吡啶钌是应用最为广
泛的试剂之一。它能够溶解于水相和有机相中,其
ECL 效率是钌配合物中最高的。由于联吡啶钌激发态寿命短,其激发态在被氧猝灭之前,就已经弛豫到基态,发光基本不受氧浓度的影响,在有氧存在的情况下,联吡啶钌也具有很强的ECL 信号。但联吡啶钌类配合物的发射波长在600nm 左右的窄波段内,在ECL 的应用中,检测通量较低,很难实现多组分的同时检测,这在很大程度上限制了ECL 分析方法的应用。由于分析应用对ECL 试剂发光波段的新需求,人们在不断地合成新的ECL 试剂。Mark M.
Richter 在Allen J.Bard 主编的Electrogenerated Chemiluminescence 一书中[5]曾指出,如果能够合成不同波段发光的ECL 试剂,就能够实现单一样品中多组分的同时检测,这成为人们寻找不同金属配合物的主要原因。
由于有机发光二极管材料(organic light?emitting
diodes,OLEDs)可在电激发下发光,因此人们在研究过程中,选用了很多不同金属离子作为中心离子的发光材料进行ECL 研究。如Al、Cr、Cu、Eu、Ir、
Mo、Os、Pd、Pt、Re 和Ru 等[6]。但是,在这些金属配合物中,大多数的ECL 都处于红光波段,仅有少数在绿光范围,如铝配合物[7,8]、铱配合物[9,10]。2000
年,Gross 等选用了三?(8?羟基喹啉)合铝作为ECL 的研究对象[7]。他们发现,在乙腈/水(50/50,v /v)
体系中,该试剂在510nm 左右发光。但是与联吡啶钌相比其发光效率很低,仅为联吡啶钌的发光效率的万分之九。另外由于三?(8?羟基喹啉)合铝在水中不能溶解,因而其应用价值很低。但是三?(8?羟基喹啉)合铝在ECL 中的研究,为其在OLEDs 的应用提供了理论基础。2003年,Muegge 等[8]在此基
础上进行了一些改进。为了提高铝配合物试剂在水溶液中的溶解性,他们将配体羟基喹啉磺酸化,得到可溶于水的三?(8?羟基喹啉?5?磺酸)合铝盐,其ECL 波长为499nm,与其荧光发射波长相似。虽然获得了水溶性的ECL 试剂,但是在相同条件下,该试剂
在水溶液中的发光效率只有联吡啶钌的千分之二。
同样作为一个在OLEDs 中有较多应用的发光
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试剂,铱配合物最大的特点就是能够通过调节配体组分或者改变配体,使化合物的发光范围从蓝色到红色波段[11—14]。这个特点引起了人们研究铱配合物ECL 性能的兴趣。Bruce 等[9]着重研究了
Ir(ppy)33+(图2a)。研究表明,该染料的ECL 最大
发光波长为517nm,与其荧光发射波长相近。以
TPA 为共反应物,在乙腈溶液中,可以获得较高的发光效率,达到联吡啶钌的发光效率的三分之一,并且其氧化电位小于1.0V,远远小于联吡啶钌。但是
Ir(ppy)33+在水溶液中发光效率很低,不及联吡啶钌的千分之一。为了进一步了解铱配合物的ECL 性能,Muegge 等[8]通过改变铱的配体,比较详细地研究了两种铱配合物的发光情况。研究表明,F(Ir)pic(图2b)的发光波长为470nm,水相中的发
光效率为联吡啶钌的千分之五;(btp)2Ir(acac)(图2c)发光波长为600nm,水相中的发光效率约为联吡啶钌的千分之二。结合之前研究的Ir(ppy)33+,铱配合物覆盖从蓝光到红光的波段,这为实现同一样
品不同组分的同时分析检测提供了一定的基础,同时由于铱配合物的发光电压较低,使其在生化检测应用中优于联吡啶钌,但铱配合物在水相中的溶解度和发光效率都较低,影响其检测灵敏度,并限制了其应用
。
图2 铱配合物结构
Fig.2 Molecular structures of Ir complexes
最近,Zanarini 等
[15]
将铱配合物包埋在PEG?硅
球中,从而避免了氧对该类化合物高效的猝灭,并且解决了其在水相中的溶解度问题,获得了比较好的发光效果。这些改进为联吡啶钌类化合物以外金属配合物的应用提供了一些可能。
联吡啶钌类化合物具有很高的ECL 发光量子
产率,人们为克服其发光无选择性的缺点,也尝试着在其配体上进行一些改进,以提高选择性。其中最为典型的例子就是在配体上增加一个冠醚基团[12—14]。该方法使联吡啶钌类化合物的ECL 具有一定的选择性,并使该化合物能够检测非共反应物
类型的金属离子,为ECL 的应用拓宽了空间。最早将冠醚基团引入联吡啶钌配体的是Muegge
等[16]及Lai 等[17]。他们发现在联吡啶钌的配体中引入冠醚基团后,联吡啶钌的ECL 会受到一些金属离子的影响,如Pb 2+,Hg 2+,Cu 2+,K +,Na +。当上述离子加入到稳定的ECL 体系中时,会使联吡啶钌的发
光增强,并且增强程度与其浓度相关[18]。目前,金属
离子增强冠醚型钌配合物发光的机理还不是非常清楚,但是冠醚型钌配合物对金属离子选择性的响应以及其发光变化与金属离子浓度相关的特点,使其在分析化学中具有较大的应用价值,特别对金属离子Na +、K +等的检测具有十分重大的意义。
2.2 基于钌配合物的新型微纳米材料联吡啶钌类化合物的发光效率、溶解性及其可
循环利用的特点使联吡啶钌类化合物在ECL 研究及应用中受到极大的关注。但随ECL 分析技术的发展和应用推广以及纳米科学的发展,溶液相中联吡啶钌的应用已经不能满足人们的需求。为了获得发光更强更为灵敏的材料,合成基于联吡啶钌类化合物的纳米材料成为了近十年研究的一个热点。
在诸多的纳米材料中,张丽华等合成的掺杂联吡啶钌的纳米硅球(RuDS)[19]最具代表性。他们利用反相胶束法(reverse micelle)一锅法合成RuDS,方法简单方便,24h 的反应就可以合成40nm 左右的RuDS 固体。由于联吡啶钌离子带正电荷而纳米硅
球网格带负电荷,联吡啶钌很难从RuDS 中泄漏,从而保证RuDS 修饰的电极具有很好的稳定性。由于单个RuDS 可以固定很多联吡啶钌分子,在纳米材料中富集了高浓度的联吡啶钌,因此RuDS 修饰的电极具有很低的ECL 检测限,对三丙基胺(TPA)其检测限达2.8nM。众所周知,二氧化硅是一种生物相容性很好的材料,并且二氧化硅材料表面有着丰富的含氧基团,因而可以很容易在二氧化硅表面修饰所需基团,进行进一步的应用。Chen 等[20]在合成RuDS 的基础上,在RuDS 表面氨基化后连接酒精脱氢酶,实现了对酒精的高灵敏度测定。张丽华在之前的工作基础上,进一步合成了具有磁性核的RuDS,这使得RuDS 的固定或者收集更为便捷,为RuDS 的应用拓宽了道路(图3)[21]。
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图3 磁性RuDS 透射电镜图以及ECL 图[21]
Fig.3 TEM image of magnetic RuDS and corresponding ECL image
[21]
图4 联吡啶钌氯亚铂酸盐超分子扫描电镜图[22]
Fig.4 TEM images of the super molecular structure of Ru complex [22]
近几年,人们也合成了一些联吡啶钌类配合物
的超分子结构化合物,如董绍俊等[22]简单地将
H 2PtCl 6溶液与联吡啶钌的水溶液混合,并控制两者比例,获得了不同形状的联吡啶钌氯亚铂酸盐的超分子结构(图4)。该产物具有很好的ECL 性能。Yu 等[23]则是将非水溶性的Ru?LC(图5a)分散在乙
腈中,再迅速注射到水中,沉降过夜后得到Ru?LC 非水溶性的亚纳米带(图5b)。该结构具有很强的
ECL 性能,肉眼可感知其发光(图
5c)。
图5 Ru?LC 化学结构和形貌图[23].(a)化学结构图;(b)纳米带扫描电镜图;(c)ECL 图谱
Fig.5 Images related to Ru?LC [23]:(a)molecular structure;
(b)TEM images of nanobelts;(c)ECL images
2.3 量子点ECL 材料
如果说寻找以及合成新的金属配合物,仅仅是
在传统的ECL 领域里寻找所需要的或更好的发光试剂,那么Bard 等在2002年杂糟蚤藻灶糟藻上发表的
“Electrochemistry and Electrogenerated Chemiluminescence from Silicon Nanocrystal Quantum Dots”则开辟了一
个ECL 材料的全新领域,让人们耳目一新,迅速引
起了广泛的关注[24]。
在量子点应用于ECL 之前,量子点已因具有发
光效率高、激发谱带宽、发射谱带窄、发光波长随尺寸可调等突出的特点,而被广泛应用于荧光分析中。对于体相半导体材料,其电子能带是由存在能级差的价带和导带组成,而价带和导带是准连续能级,所以无法以光的形式辐射能量。但是当半导体材料的尺寸接近其玻尔半径时,由于量子限域效应,连续能
带变成具有分子特性的分立能级结构。因此光学行为与某些有机分子很相似,从而可以发射荧光。
ECL 研究中使用的染料都是荧光分子,并且在
ECL 过程中产生的染料激发态与该染料因光照产生的激发态是一致的。可能是由于这样的联系,使Bard 小组的Ding 等在考察所合成的硅量子点晶体性能时,也测试了其ECL 性能[24]。在研究中,Ding
等发现了硅量子点得到一个电子与失去一个电子的能差随着量子点尺寸的减小而增大。而在施加交变
电压的过程中,得电子而带负电荷的硅量子点与失电子而带正电荷的硅量子点间的电子转移(或者说电子和空穴的湮灭反应)产生了640nm 左右的可见
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光,类似于湮灭型ECL。同样,硅量子点也能够产生类似于共反应物参与型的ECL。实验中,Ding 等还发现硅量子点的ECL 波长(640nm)相对其荧光发射波长(420nm)发生了较大的红移。他们认为硅量子点的荧光是硅核的荧光,而硅量子点的ECL 则是受激量子点经弛豫后产生的表面态发光(图6)。这个发现在Myung [25]以及Bae 等[26]的后续工作中得到进一步的证实。他们对比了具有核壳结构的CdSe /ZnSe 和无核壳结构的CdTe 的ECL 行为,发
现具有核壳结构的量子点其ECL 波长相对荧光波长有非常明显的红移,而无核壳结构的量子点则相
对较小。这个现象说明了表面势阱大的结构,ECL 波长红移大,反之,红移则小。从而证明了量子点的ECL 是表面态发光。这些重要发现说明,并非只有传统的染料才能够产生ECL,同时,量子点的ECL 可能存在与传统的染料不一致之处
。
图6 硅量子点的ECL 原理示意图[24]
Fig.6 Principle of the silicon nanoparticle ECL [24]
在Bard 小组研究的启发下,人们展开了对不同量子点ECL 性能及其应用的研究。鞠熀先小组仔细研究了CdSe /双氧水水溶液体系[27,28]
以及CdTe /
邻苯二酚衍生物水溶液体系的ECL 原理[29]
及其简
易的电化学合成方法
[30]
,并分别将两个体系应用于
氧化酶的底物检测[28]以及多巴胺和肾上腺素的检
测[31]。朱俊杰等将CdS 量子点应用于高灵敏地检
测低密度脂蛋白,其检测限为0.006ng /ml [32],并合成了CdS 量子点修饰的碳纳米管,将其应用于检测
胆碱和乙酰胆碱,其检测限为0.8和1.7μM [33]。
除了常规的量子点ECL 研究,不同构型的纳米
半导体的ECL 性能也引起了人们的关注。朱俊杰等应用牺牲模板法合成了CdS 纳米管,具有很强的ECL 性能[34],还建立了树枝状的CdO 纳米晶体的
合成方法,并发现不同形状的CdO 纳米晶体具有不同的ECL 性能[35]。Guo 等合成了CdSe 的纤维状纳米晶体,但其ECL 性能一般[36]。
虽然半导体量子点具有很好的ECL 性能,但其
毒性不可忽视,要将其直接应用于活体检测有很大的困难,因而找出一种具有ECL 能力并且毒性小的替代物有着重大的意义。2009年,池毓务等[37]及
Zhu 等[38]分别报道了应用电化学法和微波法制备了水溶性碳量子点晶体,并发现了碳量子点晶体的ECL 性能。由于碳量子点具有很好的水溶性和生物
兼容性以及较低的制备成本,因此碳量子点有可能在ECL 的研究应用中得到进一步的发展。
3 ECL 分析技术的新发展
近30年来,由于ECL 技术的发展,该方法在分析精度、灵敏度以及实用性上都得到很大的提高。其中对ECL 方法影响最为深远的就是固相ECL
(solid?state electrochemiluminescence)技术的提出和发展,近年的ECL 研究很多都集中于固相ECL 技术,并开始出现可视化检测的研究报道。此外,ECL 与高效液相色谱(HPLC)、毛细管电泳(CE)联用技术的发展以及在生物分析技术等方面的发展,也为ECL 的应用拓宽了道路。
3.1 固相ECL 技术传统的ECL 分析方法是流动注射分析法。该
方法将ECL 试剂与目标分析物同时溶解于水溶液中,再由流动系统输送到电极表面进行分析,因此所
使用的发光试剂无法回收,这对一些可循环利用的ECL 试剂是很大的浪费,也提高了分析成本。针对
这个问题,人们提出将ECL 染料固定在电极表面的想法。目前,文献报道的方法主要有Langmuir?Blodgett(LB)技术、自组装膜技术、离子交换聚合物
膜技术及溶胶?凝胶技术。
Bard 等最早报道了利用LB 技术将发光试剂固
定在电极表面的ECL 研究[39]。他们利用具有表面活性剂性质的联吡啶钌碳衍生物在电极表面制备了有序单分子层,并实现了其ECL 的性能。该方法虽然实现了联吡啶钌的固定,但是由于修饰层仅靠物理吸附,很容易被溶剂破坏,特别是被有机溶剂破坏,稳定性不高,从而限制了其应用。此后,该课题组[40]同样利用联吡啶钌巯基化的衍生物,使用自组装技术将其固定在金电极表面,并获得了CCD 可捕获的ECL 信号。但是,由于巯基的存在,该修饰层很容易在电氧化过程中被破坏,导致电极不稳定,因此其应用也受到一定的限制。虽然还有其他的自组
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装方法实现固相ECL[41,42],但是同样由于在正电压扫描过程中,电极修饰层不稳定,从而限制了这类传感器在ECL分析中的应用。
在固相ECL技术中,具有一定实用价值的是离子交换聚合物膜技术以及溶胶?凝胶技术。这两类技术都是用很稳定的聚合物膜将发光试剂固定在电极表面。由于能够固定大量的发光试剂,所制备的修饰电极通常具有较高的灵敏度和较低的检测限。Bard小组的Rubinstein最早将离子交换聚合物膜———Nafion应用于固相ECL的研究[43]。他们将Nafion滴加在电极表面成膜后,将电极浸泡在联吡啶钌溶液中进行离子交换吸附,获得了具有较好ECL性能的修饰电极。Nafion具有化学稳定性高、耐热性好、不溶于水、导电性好等特点,并对大型阳离子有很强的吸附作用,因此Nafion非常适用于固定联吡啶钌,并应用于水溶液体系检测。在Rubinstein的工作基础上,Downey等[44]将该修饰电极应用于草酸、烷基胺以及NADH等物质的检测中,其检测限分别可达到1μM、10nM和1μM,线性范围为4个数量级,并进行了葡萄糖传感器的构建,对葡萄糖的检测限达10μM[45]。虽然Nafion可以很好地固定联吡啶钌,但是固定在Nafion中的联吡啶钌比较容易进入Nafion中非电活性的憎水区域,从而失去其ECL的性能,因而该方法中使用的修饰电极的稳定性和使用寿命尚需进一步提高。
溶胶?凝胶是一种光透性和生物兼容性很好并且十分稳定的聚合物膜材料,但是其导电性很差,因此在固相ECL研究中溶胶?凝胶作为一种固定材料很少单独使用。在研究中,人们经常将溶胶?凝胶作为一种辅助材料用于联吡啶钌的固定,如二氧化硅溶胶?凝胶?Nafion混合膜[46]、二氧化钛溶胶?凝胶?Nafion混合膜[47]。用复合膜制备的联吡啶钌修饰电极与单独的Nafion膜相比,其使用寿命有很大的提高。针对溶胶?凝胶导电性差的缺点,在单独使用溶胶?凝胶作为固定材料时,人们也尝试用其他的导电材料进行改进,如使用PSS[48]、PSS/碳纳米管[49]等,也同样获得了比较好的效果。除使用溶胶?凝胶作为辅助材料外,人们还使用碳纳米管[50]、铂纳米颗粒[51]来增强Nafion和Eastman AQ55D这些高聚物膜的稳定性和导电性,并获得了很好的效果。Yang等[51]报道的方法甚至可以检测到10-15M的三丙基胺。
除使用常规的膜技术之外,Lee等[52]及Greenway等[53]报道了直接在联吡啶钌上衍生硅烷基团,从而在水解过程中直接将联吡啶钌衍生物固定在电极表面。该方法虽然可以获得稳定性比较好的修饰电极,但是成本太高。董绍俊等则利用阳离子与阴离子稳定的纳米颗粒间会产生共沉降的特点,将联吡啶钌与金纳米[54]或铂纳米颗粒[55]共沉降于电极表面形成较为稳定的修饰电极,但由于金和铂在电化学过程中很容易被氧化,使用寿命受到限制。
与传统的流动注射法相比,固相ECL在很大程度上节约了试剂,提高了实验效率和实验的灵敏度,降低了检测限,使ECL方法器件化的可能性大大提高。在固相ECL的众多研究方法中,使用高聚物膜固定发光试剂的方法最具有使用价值。因为膜固定法具有较高的稳定性、较长的使用寿命、简单而易于制备的特点,并且成本较低。
3.2 ECL技术在生物分析中的应用
由于具有低背景、高灵敏度的特点,ECL分析方法已被应用于生化分析中。但是大部分的生物分子都不具有“共反应物”性能的官能团,ECL在生化分析方面需要解决这一关键问题。
Miao于2008年在Chemical Reviews上[56]比较全面地总结了ECL在生化检测中的原理和应用。如图7所示[56],图中(a)、(b)、(c)是DNA检测,图
图7 基于ECL的生化检测原理示意图[56]
Fig.7 Principle of ECL bioassays[56] (d)、(e)、(f)是免疫检测方法,(g)、(h)是酶活性的检测。DNA的检测主要利用单链及其互补链的识别原理,用发光试剂对作为信号报告部分的单链DNA进行标记,在完成互补链识别后,进行ECL检
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测(途径a、b)[57—60]。也可以通过DNA 整合酶,将
信号报告部分的DNA 双链与其相对的DNA 双链整合在一起后,进行检测,从而判定目标分子是否存在并测定其含量(途径c)。在免疫检测中,最为常见的就是三明治结构的测定原理(途径d)。首先利用固定在电极表面的抗原(或抗体)捕捉待测的抗体(或抗原),然后,再与标记了发光试剂的抗原(或抗体)进行免疫反应,最后进行ECL 检测,测定其含
量[58,61]。直接检测模式(途径e)以及竞争检测模式(途径f)都未能达到三明治模式的检测效果。在
酶活性检测中,主要有两种模式:使用蛋白酶切割后
ECL 标记部分减少的猝灭模式(途径g)和使用亲和酶反应后ECL 标记部分增多的增强模式(途径h)。
两种方式都可以较好地表征酶的活性。
在生化分析中,提高方法的灵敏度、降低检测限十分重要。为了提高ECL 在生化分析中的检测灵
敏度,人们曾经尝试在同一个生物分子上通过多点标记方法,标记多个联吡啶钌分子。但是高标记量会造成生物分子的失活,甚至可能导致生物分子沉降。因此,如何在进行单点标记保持生物分子活性的同时,提高标记量是一个重要的课题。
Zhou 等[62]首先提出使用含三个联吡啶钌基团
的发光试剂进行标记的方法,实现了在传统方法条
件下,提高发光试剂的标记量并保持生物分子活性。该方法虽然解决了上述问题,但其灵敏度提高有限,并且合成相应的联吡啶钌衍生物十分困难和复杂。在Zhou 等的研究基础上,Miao 等提出将大量发光试剂联吡啶钌固定在聚苯乙烯球中,并在聚苯乙烯
球上修饰相应的单链DNA [57]或者抗原(抗体)[61],用于标记并测定相应的互补链DNA 或者目标蛋白质。该方法大大提高了分析的检测限,最低可测得1fM 单链DNA、10ng /ml C?反应蛋白。但是该方法在检测时,需要使用有机溶剂将联吡啶钌释放出来,
不适用于现有的ECL 商业仪器。Zhan 等提出使用脂质体富集联吡啶钌,并在脂质体上进行修饰得到可用于识别并检测含量的脂质体。通过在检测过程中破坏脂质体释放联吡啶钌,可测得100ng /ml C?反应蛋白[63]。该方法不需要使用有机溶剂,因此其适用面更广。Egashira 等应用该方法实现了在50L 样品中对10-19mol 的红细胞凝聚素含量的测
定[64],进一步说明了该方法的优越性。
除了提高单点标记的标记量,人们也尝试将联吡啶钌的共反应物———4?(dimethylamino )butyric
acid(DMBA )标记在生物分子上的方法。由于
DMBA 与生物分子有很好的生物兼容性,因此多点
标记并不影响其活性。Yin 等将DMBA 标记于牛血清白蛋白以及免疫球蛋白上,并通过金纳米颗粒提高电极表面对上述蛋白的负载能力,放大了反应,提
高了检测限,获得较好的检测效果[65]。
除了上述比较经典的检测方法之外,近年来,文
献还报道了其他一些检测DNA 的新方法。传统认为DNA 的稳定结构是很难作为共反应物促进联吡啶钌的发光,但是Rusling 小组[66,67]发现DNA 中的鸟嘌呤氧化后可形成自由基结构,并促进一些试剂的发光,实现了对DNA 的简单测定以及DNA 破坏程度的测定。Hu 等[68]发现原本在水溶液中不能产
生ECL 的[Ru(bpy)2dppz]2+,在加入DNA 后,由于[Ru(bpy)2dppz]2+进入到DNA 二级结构中,避免了吩嗪基团受溶剂(即水)的影响,从而在水溶液中产生了很强的ECL。他们将[Ru(bpy)2dppz]2+与ATP 适配子结合,用于检测ATP 含量,获得了较好的效果。
3.3 ECL 可视化检测
在英语中有一句谚语“Seeing is believing”。意
思是看到了真实的东西才能够相信。随着ECL 分析技术应用的日益广泛,人们逐渐产生了对ECL 可视化检测的需求。David 小组的Szunerits 等首先使用了刻蚀的光纤构建了ECL 微阵列,并实现了对小
区间产生的ECL 进行区分(图8)[69],但是当微阵列中所有的电极都产生ECL 时,则很难进行区分。
Arnaud 等进一步优化了ECL 微阵列,实现了亚微米级的微小区域的ECL 区分,并且避免了David 等实验中的问题[70]。
虽然这两个实验实现了可视化的ECL 微阵列
的构建,但是都只是理论层面的研究,尚未进行实际的应用。Rusling 小组的研究人员[71,72]则第一次将可视化的ECL 阵列应用于实际研究中。他们将不同的细胞色素C P450酶及相同的DNA 固定在电极表面不同的位置,利用电荷耦合器件(CCD)检测器,在ECL 分析中引入维度因子,从而提高检测通量。在分析中,他们实现了同时检测不同细胞色素C P450酶在代谢过程中对相同DNA 的氧化破坏作用,获得了很好的效果。但是由于电极表面发光不
均匀,他们利用CCD 检测器所拍摄的ECL 光斑亮度不均一,很难直接从图上读取所需信息,一般需要额外的数据处理。因此该方法还有进一步提高的空间。
除了常规的可视化检测,ECL 还被应用于扫描
DNA电致化学发光分析方法研究
DNA电致化学发光分析方法研究 电致化学发光(ECL)是在化学发光基础上发展起来的一种新的分析方法,它 是化学发光与电化学相结合的产物,兼具化学发光和电化学分析的优点,同时又 延伸出一些独特的优势,例如灵敏度高、抗干扰能力强、重现性好、可进行原位现场分析、动态范围宽等。自2002年有关Si纳米粒子的ECL研究被报道以来,半导体纳米晶(SNCs)作为新型的ECL材料近年来备受关注。与传统的分子发射物相比,半导体纳米晶有着独特的优点,例如尺寸/表面缺陷控制的发光、无光漂白、稳定性好。 因此,基于半导体纳米晶的ECL已经被广泛地应用于生物传感和生物分析中。本论文研究了多种SNCs的ECL性能,并以这些物质为ECL发光体,结合DNA杂交技术、界面能量转移技术和酶的循环放大技术,实现了 DNA的序列识别及含量测定,为新型DNA传感器的开发提供了新的思路和方法。1.基于金纳米粒子和等温循环双重放大的超灵敏ECL法检测DNA将具有等温放大效应的“DNA机器”与Au 纳米粒子对CdS半导体纳米晶膜ECL距离可控的猝灭与增强现象相结合,发展了一种新型超灵敏的ECL DNA传感界面。 ECL体系中的这种界面能量转移给生物识别元件的转换提供了一种新的方法,且等温DNA放大反应可以在室温条件下进行,因此避免了热循环的一些要求。此研究结果不仅为超低浓度DNA检测提供了一种新的方法,还给DNA生物传感器对其他分析物的检测带来广阔的应用前景。2.基于等温循环放大和双纳米粒子标记的三茎式探针的超灵敏单核苷酸多态性ECL检测方法基于等温循环协助的标 记有Au和CdTe两种纳米粒子(NPs)的三茎式探针,我们研发了一种新型的电致化学发光(ECL)检测单核昔酸多态性的方法。
罗氏电化学发光免疫分析(精)
罗氏电化学发光免疫分析 技术是罗氏公司开发的,但全自动机械制造却由日本的日立公司承担,所以仪器上还有Hitachi的标志。这个仪器让大家吃惊的一大原因就在于一直在实验室研究的电致化学发光居然已经真正地产业化了,其中我们一直无法解决的诸多问题(尤其是重现性均已得到解答,看来罗氏的确花了不少心血开发这款仪器。 罗氏电化学发光免疫分析技术的性能特点——创新的技术,与众不同 一、最先进的检测原理 电化学发光免疫测定,是目前最先进的标记免疫测定技术,是继放射免疫、酶免疫、荧光免疫、化学发光免疫测定以后的新一代标记免疫测定技术,具有敏感、快速和稳定的特点,在固相标记免疫测定中技术上居领先地位。 电化学发光(ECL是一种在电极表面由电化学引发的特异性化学发光反应,实际上是电化学和化学发光两个过程的完美结合。电化学发光与普通化学发光的主要差异在于前者是电启动发光反应,循环及多次发光,后者是通过化合物混合启动发光反应,是单次瞬间发光。因此ECL反应易精确控制,重复性极好。 电化学发光免疫测定是电化学发光(ECL和免疫测定相结合的产物,直接以[Ru(bpy3]2+标记抗体,反应时标记物直接发光。且[Ru(bpy3]2+在电极表面的反应过程可以周而复始进行,产生许多光子,使光信号得以增强。 二、专利的包被技术 链霉亲和素(streptoavidin,SA和生物素(biotin,B是具有很强的非共价相互作用的一对化合物,特异性强且结合紧密。一分子SA可与四分子B 相结合,增大了抗体结合量,达到放大效果。在ECL的试剂中,SA通过特殊的蛋白结合物均匀牢固地包被在磁性微粒上,形成通用的能与B结合的固相载体,另一试剂为活化的B衍生物化合的抗原或抗体。两种试剂混合时,抗原或抗体即包被在磁性微粒上。 三、独特的载体
纳米粒子参与的电致化学发光研究进展
第28卷 第1期新乡学院学报：自然科学版 2011年2月V ol. 28 No. 1 Journal of Xinxiang University: Natural Science Edition Feb. 2011 纳米粒子参与的电致化学发光研究进展 董永平，张净 （安徽工业大学化学与化工学院，安徽马鞍山 243002） 摘 要：综述了近几年纳米粒子参与的以及纳米粒子修饰电极上的电致化学发光研究的进展情况，评述了 金纳米粒子参与的液相电致化学发光与化学发光以及金纳米粒子修饰电极上的电致化学发光的研究进展， 展望了纳米粒子参与的电致化学发光的发展前景。 关键词：纳米粒子；电致化学发光；液相电致化学发光；金纳米粒子修饰电极 中图分类号：O657.1；O657.3文献标志码：A文章编号：1674–3326(2011)01–0033–05 Research Progress in Nanoparticle-involved Electrogenerated Chemiluminescence DONG Yong-ping, ZHANG Jing (College of Chemistry and Chemical Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan 243002, China) Abstract: The research progresses in nanoparticle-involved electrogenerated chemiluminescence and electrogenerated chemiluminescence based on nanoparticle modified electrode, especially the development of gold nanoparticle-involved liquid phase chemiluminescence and electrogenerated chemiluminescence and electrogenerated chemiluminescence based on gold nanoparticle modified electrode, have been reviewed. The prospect of the development of nanoparticle-involved electrogenerated chemiluminescence was also discussed. Key words: nanoparticle; electrogenerated chemiluminescence; liquid phase electrochemiluminescence; gold nanoparticles modified electrode 0引言 化学发光现象是在化学反应过程中产生的光发射，几年来在多个领域中得到了广泛的应用。电致化学发光分析法(ECL)是在电极上加一定的电压或电流信号进行电解，反应产物相互之间或产物与体系中的共存组分间发生化学发光反应，通过测量发光光谱或发光强度，分析研究体系中的物质组成、形状、反应历程的一种方法。电致化学发光是由电化学和化学发光(CL)相互渗透形成的，因此，具有荧光分析和化学发光分析的性质，同时，还具有电化学的一些性质。电致化学发光的优点主要有：具有高的灵敏度、宽的线性范围、强抗干扰能力，设备简单、操作简便，可同色谱和电泳技术联用检测分离物，可进行原位现场分析，对发光反应机理的研究有着独特的优越性；某些分析物能通过电化学过程再生循环参与发光反应，从而大大提高灵敏度；对于不稳定的化学发光试剂以及ECL所需的活性物种，可以在电极表面现场产生，可以通过改变电极电位来控制CL反应的发生、进行的速率甚至反应历程；通过改变电极电位可实现对发光反应的“开关”等[1]。虽然电致化学发光具有众多优点，但由于电致化学发光中产生激励电信号所用的传统电极如金、铂和玻碳电极的表面容易吸附溶液中的反应物，对分析的灵敏度和重现性带来很大的影响，从而限制了电致化学发光分析法在分析检测中的应用。为了消除这一缺陷，很多研究人员开展了许多尝试性工作，其中最为普遍的工作是对电极进行预极化处理[2－5]。尽管如此，仍不能保证每次实验结果的重现性，在这种情况下，化学修饰电极成了一种非常有吸引力的技术。因为化学修饰电极突破了传统电化学只限于 收稿日期：2010-11-18 修回日期：2011-01-10 作者简介：董永平(1973－)，男，安徽寿县人。副教授，博士，研究方向：电分析化学。E-mail: dongyp@https://www.sodocs.net/doc/5913514004.html,。
电化学发光原理介绍
、概念 电化学发光免疫测定Electrochemiluminescence immunoassay,ECLI。 ECLI 是继放射免疫、酶免疫、荧光免疫、化学发光免疫测定以后的新一代标记免疫测定技术。电化学发光法源于电化学法和化学发光法，而ECLI 是电化学发光ECL和免疫测定相结合的产物，是一种在电极表面由电化学引发的特异性化学发光反应，包括了电化学和化学发光二个过程。 ECL 不仅可以应用于所有的免疫测定，而且还可用于DNA／RNA探针检测。 二、反应底物 ECL 反应底物有两种： ·三氯联吡啶钌[Rubpy3]2+络合物： 钌Ruthenium, Ru，原子序数44，原子量101.07。元素名来自拉丁文，原意是"俄罗斯"。1827年俄国化学家奥赞在铂矿中发现钌；1844年俄国化学家克劳斯肯定它是一种新元素。钌在地壳中的含量约为十亿分之一，是铂系元素中含量最少的一个。钌常与其它铂系元素一起分散于冲积矿床和砂积矿床中。钌有7种天然稳定同位素：钌96、98、99、100、101、102、104。 钌为银白色金属，熔点2310℃，沸点3900℃，密度12.37×103/m3。 钌的化学性质不活泼，在空气和潮湿环境中稳定；不溶于酸和王水，溶于熔融的强碱、碳酸盐、氰化物等；加热到900℃，时能与氧反应；加热时能与氟、氯、溴反应；钌有形成配位化合物的强烈倾向，还有良好的催化性能。 钌是铂和钯的有效硬化剂；金属钛中加入0.1%的钌就可大大提高耐腐蚀性；钌钼合金是一种超导体；含钌的催化剂多用于石油化工。 ·三丙胺Tripropylamine，TPA： 结构式： 点击浏览/下载该文件 三、电化学发光反应原理 电化学反应过程：在工作电极上阳极加一定的电压能量作用下，二价的三氯联吡啶钌 [Rubpy3]2+ 释放电子发生氧化反应而成为三价的三氯联吡啶 钌 [Rubpy3]3+，同时，电极表面的TPA也释放电子发生氧化反应而成为阳离子自由基 TPA+ ，并迅速自发脱去一个质子而形成三丙胺自由基 TPA·，这样，在反应体系中就存在具有强氧化性的三价的三氯联吡啶钌 [Rubpy3]3+ 和具有强还原性的三丙胺自由基 TPA·。 化学发光过程：具有强氧化性的三价的三氯联吡啶钌 [Rubpy3]3+ 和具有强还原性的三丙胺自由基 TPA·发生氧化还原反应，结果使三价的三氯联吡啶
电致化学发光研究的新材料和新方法-厦门大学
第23卷第12期2011年12月 化 学 进 展 PROGRESS IN CHEMISTRY Vol.23No.12 Dec.2011 收稿:2011年3月,收修改稿:2011年5月 ?国家自然科学基金面上项目(No.21175112)资助??Corresponding author e?mail:xichen@https://www.sodocs.net/doc/5913514004.html, 电致化学发光研究的新材料和新方法? 罗 峰1 林志杰2 陈 曦2?? (1.福建省计量科学研究院 福州350003; 2.厦门大学化学化工学院化学系 厦门361005) 摘 要 由于方法的使用范围广、光学系统简单和操作容易,电致化学发光(ECL )得到人们的广泛重视。随着对ECL 研究的深入,ECL 研究所涉及的领域和层面已有很大的扩展,特别是近十年来,ECL 研究发展更为迅猛。除ECL 理论研究外,为了适应分析检测的应用的需求,ECL 在新材料、新实验技术和方法方面出现了许多的研究报道。本文综述最近几年来ECL 研究在新材料应用和新实验技术的开发方面的一些进展,包括纳微米材料和量子点材料在ECL 方面的研究,同时对固态ECL 和基于三原色(RGB )机理的可视化ECL 研究进展,进行了一些讨论。最后,综述展望纳米和量子点材料修饰电极ECL 的研究和应用的前景。 关键词 电致化学发光 新材料 新方法 中图分类号:O667.39 文献标识码:A 文章编号:1005?281X(2011)12?2588?10 Novel Materials and Approaches for Electrochemiluminescence Studies Luo Feng 1 Lin Zhijie 2 Chen Xi 2?? (1.Fujian Research Institute of Metric Science,Fuzhou 350003,China; 2.Department of Chemistry,College of Chemistry and Chemical Engineering, Xiamen University,Xiamen 361005,China) Abstract Electrochemiluminescence (ECL)approaches have been received great attention due to their versatility,simplified optical setup,and good temporal and spatial control.With the extension of ECL study,ECL has been applied in a lot of fields,and got great development in recent ten years.Besides their theory studies,to meet the ECL analytical applications,there have been many reports on new materials and approaches for ECL study.In this review,we focus on the ECL applications of new materials and techniques and summary the recent development of ECL,including nano?micro and quantum dot materials for ECL studies.In addition,solid?state ECL and visible ECL approaches based on red?green?blue(RGB)tri?color system are also discussed.Finally,the prospect of ECL studies and applications using nano or quantum dot modified electrodes is presented. Key words electrochemiluminescence;new materials;new approaches Contents 1 Introduction 2 New ECL materials 2.1 Metal complexes 2.2 Nano?micro materials based on Ru complexes 2.3 Quantum dot materials for ECL 3 New development of ECL techniques 3.1 Solid?state ECL 3.2 New approaches of ECL for bio?analysis 3.3 Visible ECL technique 4 Conclusions and outlook
罗氏电化学发光免疫分析总结
罗氏电化学发光免疫分析总结 罗氏电化学发光免疫分析总结 技术是罗氏公司开发的，但全自动机械制造却由日本的日立公司承担，所以仪器上还有Hitachi的标志。这个仪器让大家吃惊的一大原因就在于一直在实验室研究的电致化学发光居然已经真正地产业化了，其中我们一直无法解决的诸多问题（尤其是重现性）均已得到解答，看来罗氏的确花了不少心血开发这款仪器。 罗氏电化学发光免疫分析技术的性能特点——创新的技术，与众不同 一、最先进的检测原理 电化学发光免疫测定，是目前最先进的标记免疫测定技术，是继放射免疫、酶免疫、荧光免疫、化学发光免疫测定以后的新一代标记免疫测定技术，具有敏感、快速和稳定的特点，在固相标记免疫测定中技术上居领先地位。电化学发光（ECL）是一种在电极表面由电化学引发的特异性化学发光反应，实际上是电化学和化学发光两个过程的完美结合。电化学发光与普通化学发光的主要差异在于前者是电启动发光反应，循环及多次发光，后者是通过化合物混合启动发光反应，是单次瞬间发光。因此ECL反应易精确控制，重复性极好。 电化学发光免疫测定是电化学发光（ECL）和免疫测定相结合的产物，直接以[Ru(bpy)3]2+标记抗体，反应时标记物直接发光。且[Ru(bpy)3]2+在电极表面的反应过程可以周而复始进行，产生许多光子，使光信号得以增强。 二、专利的包被技术 链霉亲和素（streptoavidin，SA）和生物素（biotin，B）是具有很强的非共价相互作用的'一对化合物，特异性强且结合紧密。一
分子SA可与四分子B相结合，增大了抗体结合量，达到放大效果。在ECL的试剂中，SA通过特殊的蛋白结合物均匀牢固地包被在磁性微粒上，形成通用的能与B结合的固相载体，另一试剂为活化的B 衍生物化合的抗原或抗体。两种试剂混合时，抗原或抗体即包被在磁性微粒上。 三、独特的载体 ECL中采用的固相载体是带有磁性的直径约2.8?m的聚苯乙烯微粒。其特点是反应面积极大，比板式扩大20－30倍，使反应在近乎液相中进行，反应速度大大加快，利用氧化铁的磁性，使用电磁场分离结合态和游离态，方便迅速，实现了精确的全自动化。 四、独到的磁分离技术 实现了结合相和游离相的完全自动化分离，且检测池在无电场时彻底清洗，避免了交叉污染。 五、超高的测定灵敏度和测定线性 发光信号检测的宽线性加上电化学发光独特的标记物本身（发光底物）循环发光和专利的链霉亲和素-生物素包被技术的信号放大作用，使电化学发光测定的检测下限可达10-12和10-18级，线性范围最大超越7个数量级，在待测抗原（抗体）极微量或达到病理期极限时，均能准确测定，避免了样本稀释重测定，既节约时间，又节省试剂。 六、稳定的试剂 电化学发光标记物三联吡啶钌在无电场和递电子体（三丙胺）存在的自然环境下非常稳定，保证了用它标记的抗体（抗原）试剂也非常稳定，2－8℃可稳定一年以上，批内和批间变异系数分别为<4%和<7%，在首日使用之后也可以稳定3个月。 七、简便创新的定标概念 每个测定项目的基本定标曲线已由罗氏公司完成，并已存入试剂的二维条形码，自动读入仪器，用户只需进行二点重定标即可。
电致发光的机理
电致发光的机理 电致化学发光(ECL)是指通过通过施加一定的电压在电极表面产生一些特殊的物质,这些物质之间或与体系中其他组分之间通过电子传递形成激发态,由激发态返回到基态的一种光辐射. 石墨烯与纳米材料的用途 石墨烯具有良好的物理和电化学性能,层状的结构有利于电子的传输,呈现了优异的电化学特性。纳米材料由于比表面积大、导电性能好、生物活性高等特点在ECL生物传感器制备中起关键作用。利用石墨烯和纳米材料研制灵敏度高、选择性好,快速有效的ECL生物传感器有着重要的理论意义和实际的应用价值。 基于金纳米颗粒增强himinol的电致化学发光构建胆固醇传感器 1构造一个复合材料修饰电极2用纳米金颗粒在修饰到符合材料上。3涂上ChOx。这样就制成了一个新型的胆固醇生物传感器。 基于氧化铈-石墨烯复合材料增强lmninol的电致化学发光构建胆固醇传感器 1制备一个复合材料2将其进行扫描电子显微镜特征。 基于hemin-石墨烯复合材料用于构建电致化学发光胆固醇传感器 利用luminol的阳极峰光信号来检测物质，制备hemin-石墨稀(hemin-graphene)纳米复合物,并用扫描电子显微镜(SEM)来进行表征，当在检测底液中加入胆固醇时,胆固醇在ChOx的催化作用下在电极表面原位产生H2〇2, hemin-graphene进一步催化luminol-H202的反应,从而使胆固醇传感器表现出优良的性能。 生物传感器 生物传感器是指将生物识别元件即有分子识别能力的生物活性物质(如:酶、DNA、抗体或抗原等)与换能器(如:电化学、光学、压电等物理化学工作方式)相结合,基于一定的原理来定量或半定量分析的一种装置生物识别元件将生物化学反应的信息(常为分析物的浓度)转换为化学或物理的信号而输出;换能器则把识别元件输出的信号再次转换,最后经过信号放大、显示和处理,以实现对待测物质的间接检测。 -半胱氨酸还原的氧化石墨塘(L-cys-rGO)复合物的制备 参考文献制备L-cys还原的氧化石墨稀复合物(L-Cys-rGO)如下:首先,将氧化石墨稀均匀分散于PEI中,在135 °0:加热回流3h;然后,沉积洗漆分离得到还原的氧化石墨稀(rGO);随后,用EDC和NHC分别活化L-cys上面的幾基和还原氧化石墨稀上面的氨基,并将两者混合室温过夜;最后离心分离得到L-cys-rGO复合物,并将L-cys-rGO分散于壳聚糖溶液中备用。L-cys-rGO的合成过程如图2.1A所示。
电化学发光的基本原理
电化学发光的基本原理 电化学发光免疫测定（ECLI）是一种在电极表面由电化学引发 的特异性发光反应，包括电化学和化学发光两个部分。分析中应用 的标记物为电化学发光的底物三联吡啶钌或其衍生N-羟基琥珀酰胺（NHS）酯，可通过化学反应与抗体或不同化学结构抗原分子结合，制成标记的抗体或抗原。ECLL的测定模式与ELISA相似。 基本原理：发光底物二价的三联吡啶钉及反应参与物三丙胺在 电极表面失去电子而被氧化。氧化的三丙胺失去一个H+而成为强还原剂，将氧化型的三价钌还原为激发态的二价钌，随即释放光子而 恢复为基态的发光底物。医学教育网搜|集整理这一过程在电极表面 周而复始地进行，不断地发出光子而常保持底物浓度的恒定。 电化学发光是化学发光方法与电化学方法相互结合的产物，是 指通过电化学方法来产生一些特殊的物质，然后这些电生的物质之 间或电生物质与其它物质之间进一步反应而产生的一种发光现象。 电化学发光保留了化学发光方法所具有的灵敏度高、线性范围宽、观察方便和仪器简单等优点；同物时具有许多化学发光方法无 法比拟的优点，如重现性好、试剂稳定、控制容易和一些试剂可以 重复使用等优点，广泛地应用于生物、医学、药学、临床、环境、 食品、免疫和核酸杂交分析和工业分析等领域。在21世纪中必将继 续为解决人类面临的各种重大问题发挥更加显著的作用。因此有必 要对电化学发光在分析中的应用有更加全面的了解。
电化学发光的应用 1、电极表面活性分布的表征 利用电化学发光成像法可以很好地观察电极表面电化学发光强度的分布情况，而电化学发光强度对电极表面的活性具有很大的依赖性，因此利用电化学发光成像法可以直观地反映电极表面活性分布。 该方法是由Engstrom等于1987年提出的，他们观察到在新抛光的玻碳电极上电化学发光强度分布十分均匀，而在环氧树脂浸渍过的网状玻碳电极上，电化学发光强度的分布不均匀，通过与其它方法相对照，发现电化学发光强度分布能够很好地反映出电极表面活性分布，并且具有微米级的空间分辨能力。在此基础上，他们把电化学发光成像法用于研究碳糊电极表面活性点的分布，观察到碳糊电极表面存在。着活性区域和非活性区域，对于了解碳糊电极的电化学行为具有一定的意义。 由于电化学发光成像法具有直观和简单等优点，许多科学工作者先后将该方法用于表征化学修饰电极表面的活性分布。如Hopper 等用该方法研究了电极表面的电荷对电子转移性质的影响；Pantano 等用该方法研究了电极表面羧基的分布对电子转移性质的影响；ShuItz等用该方法研究了聚合物在电极上的附着情况。从上面的文献可以看出，电化学发光成像法对于了解电极表面的活性分布及其与电极性能之间的关系，进而制备出具有特定功能的电极具有较好的参考价值。
新型金属配合物的电致化学发光分析(精)
新型金属配合物的电致化学发光分析 电致化学发光(Electrogenerated Chemiluminescence,简写成ECL)的 机理及分析应用已经得到了广泛的关注。作为一种检测方法,通过电化学反应产生光信号,ECL具有较高的灵敏度。联吡啶钌及其衍生物是目前研究最多的电致 化学发光物质。然而这些昂贵试剂在分析应用中不断被消耗会导致分析成本变 高的问题,使它们的应用受到限制。所以此类ECL试剂的固定化研究引起了人们的极大兴趣。例如联吡啶钌采用的固定化方法有:Langmuir–Blodgget、自组装、聚合、溶胶-凝胶法等等,但大多数钌配合物本身是水溶性的,固定化之后的灵敏度和检测限均不是特别理想。由于金属铱配合物与联吡啶钌配合物具有相 似的基态、激发态氧化还原电位,且许多金属铱配合物本身具有水不溶性,因此,研究金属铱配合物的固定化及其应用意义比较大。在这个背景下,本文展开了如下的工作:1.多壁碳纳米管/聚乙烯醇/(pq)2Ir(N-phMA)修饰电极的研制。改进 了碳纳米管在水溶液中的分散方法,引入了聚乙烯醇(PVA)作为分散剂,采用滴涂法制备出多壁碳纳米管/聚乙烯醇/(pq)2Ir(N-phMA)修饰电极。以三丙胺为共反应物,通过对碳纳米管的量、铱配合物的浓度、修饰剂的用量、扫描速率、酸度等条件的优化,使得修饰电极达到最佳的发光效率。2.论文首次报道了NH4+作 为共反应物,在(pq)2Ir(N-phMA)电致化学发光中参与发光过程,并能够被灵敏的检测。研究了NH4+作为共反应物参与反应的机理问题,用修饰电极检测了一系 列的氨基酸和其它的共反应物,并概括总结了芳香胺,脂肪族胺和无机铵的发光 规律。肉类在腐败过程中产生氨气,并且随着放置时间的增加,释放的氨气也越多。本课题对样品产生的气体进行了采集,对气体样品中的氨气进行测定,从而 对肉类的新鲜程度进行判断。3.合成了一种多联吡啶钌配合物 (bpy)2Ru(phenCl4)(PF6)2,并用元素分析、红外光谱、核磁共振谱对其结构进 行了表征。此化合物在紫外和可见光区都有吸收,在可见光区的最大吸收波长是440nm,这是典型的金属到配体(MLCT)的跃迁,其光致发光性能也显示出MLCT迁 移特征,并且随溶剂不同,其最大发射波长从630nm变化到649nm。值得注意的是,此配合物的电致化学发光性能受酸度影响不大,尤其在强碱条件下,其背景电致化学发光很小。这与联吡啶钌有很大不同,其电致化学发光强度随酸度增大而显著增大,不适合在碱性条件下使用。 同主题文章 [1]. 顾文芳,李建军,程介克. 电致化学发光法在分析化学中的应用' [J]. 地质地球化学. 1995.(03) [2]. 陈国南. 电致化学发光的最新进展' [J]. 福州大学学报(自然科学版). 1999.(S1) [3]. 陈国南,林振宇. 生物活性物质的电致化学发光检测' [J]. 世界科技 研究与发展. 2004.(04) [4].
罗丹明B的电致化学发光行为研究
第13卷第4期2007年12月 分析测试技术与仪器 ANAL YSIS AND TESTIN G TECHNOLO GY AND INSTRUM EN TS Volume13Number4 Dec.2007 研究报告(242～245) 罗丹明B的电致化学发光行为研究 林振宇,刘 燕 (食品安全分析与检测技术教育部重点实验室,福州大学化学系,福建福州 350002) 摘 要:研究发现罗丹明B在碱性溶液中铂电极上有较强的电致化学发光行为.通过对不同NaO H浓度,以及对不同支持电解质的考察,确定最佳电致化学发光条件.在最优条件下,在1.2×10-7～1.1×10-6mol/L浓度范围内,罗丹明B的电致化学发光强度与其浓度成线性关系,最低检测限为9.0×10-8mol/L(S/N=3).将罗丹明B同一些生物活性物质相配合,然后通过罗丹明B的ECL技术对生物活性物质进行检测. 关键词:电致化学发光;罗丹明B;铂电极 中图分类号:O644.1文献标识码:A文章编号:100623757(2007)0420242204 电致化学发光(ECL)是通过在电极上直接或间接发生的电化学反应而产生的一种化学发光.因为电致化学发光是在化学发光和电化学基础上发展起来的一种分析技术,它不但保留了化学发光分析和电化学分析固有的优点,同时还具有其自身的优点,如所发生的化学发光反应易于控制、方法更灵敏、更具有选择性、可以获得更多的化学信息等.ECL在分析测试中已经得到广泛的应用[1]. Huang[2]等报道了罗丹明B(Rhodamine B,Rh B)的氧化产物在碳纳米管修饰的石墨电极上,对亚硫酸盐的ECL有增敏作用,对亚硫酸盐检测限可达到2.0×10-10mol/L.Zhang[3]等也报道罗丹明B 在铂电极上对亚硫酸盐的ECL有增敏作用,其检测限可以达到5×10-8g/mL.Zhang[4]等报道了在罗丹明B存在的碱性条件下,维生素B1的ECL有明显的增强作用,对维生素B1的检测限可以达到0108μg/mL.所有这些报导都是通过能量转移然后检测罗丹明B的荧光强度的变化进行的.Jiang[5]等对罗丹明B在氧化态覆盖的铝电极上由热电子引起的ECL进行了研究.但是到目前为止,还没有文献对罗丹明B自身的电致化学发光行为进行研究,本文主要是研究罗丹明B的电致化学行为,并提出其可能的发光机理.1 仪器与试剂 ECL的检测是由一台C HI660A电化学工作站(上海辰华仪器公司),BPCL超微弱发光分析仪(中科院生物物理所研制),以及用来控制和采集数据的电脑构成.电解池使用三电极系统:工作电极为铂电极,对电极为铂丝,参比电极为Ag/AgCl电极.罗丹明B购买于广州化学试剂厂,其他分析试剂为分析纯,二次去离子水. 2 结果与讨论 2..1 罗丹明B的在不同电极上的ECL行为研究 文献[5]报导在酸性水溶液中罗丹明B在1.21 V(对甘汞电极SH E)有一个氧化峰,实验中我们发现高浓度的罗丹明B在碱性溶液中也有一个氧化峰,但是氧化电位有一定的负移,这可能是由于在不同的电化学体系中进行检测引起的.图1分别为是1.67×10-2mol/L罗丹明B在玻碳电极上的电化学以及对应的ECL曲线.从图1中可以看出,罗丹明B在0.85V(vs Ag/AgCl电极)附近有一个氧化峰,同时有相应的ECL信号产生,但是ECL的信号很弱.图2是1.0×10-6mol/L罗丹明B在铂电极上的线性扫描图(L SV)和对应的ECL曲线图,除 收稿日期:2007209226; 修订日期:2007211205. 基金项目:本课题受福建省教育厅科技项目(JB06052)及福州大学科技发展基金(2007-XQ-07)的资助.作者简介:林振宇(1976-),男,博士,讲师,主要从事电化学分析.
直接化学发光与电化学发光之比较
直接化学发光与电化学发光之比较 自1982年人们就开始研究将电促化学发光标记物（ECL）用于各种免疫检查，但直到最近，随着罗氏公司力图将这一技术用于其新系列的仪器中，才重新引起人们对电化学发光的关注。 尽管电化学发光标记物同经典的化学发光标记物吖啶酯（AE）有很多相似的特性，但在技术细节方面并不相同，这使得电化学发光并不适合于现代自动免疫仪器。 本文详细探讨了电化学发光的技术特点以及该技术对仪器性能的局限性，并根据厂家所给的性能指标将电化学发光系统与采用AE技术的仪器进行了比较。尽管同老式的手工操作或与采用比色法、包被管和酶免法的半自动分析仪相比，罗氏公司的仪器在检测技术和操作特性上颇具吸引力，但实际上罗氏所面对的真正竞争对手并非这些过时的技术，而是象Bayer诊断产品公司出品的ACS：180SE这样的先进仪器。 背景与发展过程 早在19世纪20年代，人们就观察到电解过程中的发光现象，但在60年代以前，很少有人对此现象进行研究。从1982年开始，人们就一直在研究将可产生电促发光的三联吡啶衍生物应用于免疫实验中。1991年，IGEN公司（美国马里兰州洛克威尔公司）推出了采用这一技术的商品化仪器和试剂，1990年和1991年，IGEN公司分别与ESAI公司（日本）和罗氏公司签订协议，共同发展免疫检验项目，并授予它们ECL技术的使用权。 电化学发光“理论上”的优越性 ECL具有许多与AE相同的优点，但在理论上，ECL较之目前AE技术的最重要的优越性就是其具有更高的灵敏度，该论点是基于电化学标记物具有循环参与电化学反应的能力，每个标记物分子可多次产生光子。但在实际中，即使ECL所宣传的检测范围也一直没有超过AE的检测限，而且，采用ECL的免疫实验较之大量采用AE技术的商品化免疫项目并没有显示其具有更优越的灵敏度。 电化学发光的缺点 ECL有三个最主要的缺点： l 检测标记物时需要三个电极（一个金/铂激发电极，两个测定电极），3000美元/5000美元一个，需更换。 l 仪器采用的流动比色池，交叉污染为潜在问题。 l 对环境因素和其它非特异性反应过于敏感。 采用ECL技术的仪器需要三个电极，每个电极都会涉及到电极的稳定性、重复性、污染问题和额外的常规维护。另外，仪器所采用的流动式设计和电极本身都会造成严重的交叉污染问题。因此，这些仪器在每个测定间都需要进行化学清洗、化学调节和电极调节，这些清洗和调节过程使得每次测试都要产生大量的废液并严重限制了仪器的检测速度。 大量的固相物也易于与上次实验的残留试剂反应，这使得罗氏公司所推出的随机任选式仪器的试剂交叉污染问题更为严重。 最后，电化学反应的复杂性也使其容易受到更多因素的干扰，对于一些使用近似的稀土螯合物的免疫实验，干扰很可能来自金属离子的污染（样品管、加样头或实验用水），或是存在EDTA和其它作为抗凝剂或防腐剂的金属螯合物。另外，反应副产品的沉积也是一个潜在的干扰源。
毛细管电泳法-电致化学发光
苏州大学研究生考试答卷封面 考试科目：考试得分：________________ 院别：材料与化学化工学部专业：分析化学 学生姓名：饶海英学号：20114209033 授课教师： 考试日期：2012 年 1 月 6 日
毛细管电泳-电致化学发光联用技术在分析上的应用趋势 摘要：电致化学发光(ECL)方法已经在HPLC和流动注射、免疫分析、DNA探针分析应用，成功用于疾病诊断、临床分析、DNA测序等领域。近些年，该技术已成功与毛细管电泳(CE)技术联用，显示出快速，高效，灵敏等优点，本文论以ECL-CE联用技术在药物分析方面的研究进行了总结，并且展望了该联用技术的发展前景。 关键词：毛细管电泳分离电致化学发光 毛细管电泳法(CE)作为一种新型微量分离技术, 具有分离效率高、分析速度快、样品消耗量少、装置简单等优点, 已广泛应用于复杂物质分离检测中。由于其进样量低( nL级) , 因此对检测器的灵敏度有较高的要求。发展高选择性、高灵敏度的检测技术用于CE成为分析科学的研究热点。电致化学发光( ECL)是电化学技术和化学发光方法结合在一起的一种高灵敏检测新技术, 具有灵敏、原位、高选择性和高重复性等优点。将CE与ECL联用, 兼有CE的高分离率及ECL的高灵敏度等特点, 可直接用于样品中微量组分的分离和测定[ 1]。因此, CE-ECL在药物分析、生物样品分析、环境分析、食品分析等各领域得到了越来越广泛的应用。 1 毛细管电泳-电致化学发光联用技术概述 1.1 CE-ECL技术的原理 电致化学发光或电化学发光( Electrogenerate Chemilumnescence or Electrochemiluminescence ,简称ECL) 是在化学发光基础上发展起来的一种新的分析方法,其基本过程是在电极表面产生电活性物质经历电子转移反应形成激发态，之后激发态能量一光的形式释放出来，利用检测器对光信号进行检测，对物质定性定量的分析。ECL是化学发光与电化学相互渗透的产物,因此它不但保留了化学发光分析的诸多优点,同时还充分表现出电化学分析的一些特点,是一种可以集成多种技术优势, 综合性很强的技术。 许多试剂能产生电化学发光,但是只有几种类型的电化学发光反应可以在实际中得以应用,按照发光试剂的种类,电化学发光体系可以分为酰肼、吖啶、多环
电化学发光简介
1.1 电化学发光简介 近年来，电化学发光(ECL)作为一种高灵敏度和高选择性的分析方法已引起人们极大的究兴趣。电化学发光是指通过电化学方法来产生一些特殊的物质，然后这些电生的物质之间或电生物质与其它物质之间进一步反应而产生的一种发光现象。它是化学发光方法与电化学方法相互结合的产物。它保留了化学发光方法所具有的灵敏度高、线性范围宽、观察方便和仪器简单等优点；同时具有许多化学发光方法无法比拟的优点，如重现性好、试剂稳定、控制容易和一些试剂可以重复使用等优点，从而引起人们的注意。目前，ECL技术已广泛应用于免疫分析、核酸杂交分析和其他生化物质的测定，不仅大大推动了生物化学和分子生物学的研究，而且带来了临床诊断的又一次技术革命。 1.1.2 电化学发光反应原理 电化学发光分析是通过电极对含有化学发光物质的某化学体系施加一定的电化学信号（包括电压和电流），一直产生某种新物质，该物质能与体系中存在的化学物质反应或自身进行分解反应，反应不但提供足够的能量，而且还能产生合适的发光体并接受该反应的释放能量，形成激发态发光体，不稳定的激发态返回基态时便发出与该发光体性质相一致的发射光，用光电倍增管等普通光学手段测量发光光谱或发光强度从而对物质进行痕量分析。如果按激发态分子或离子产生的历程，可将电化学发光分为四种类型。[7-8] 1.1. 2.1 通过单重激发态途径的电化学发光（S-Route） 一般是在电极上施加一定的电压，是分子R在电压作用下氧化或还原产生R+或R-，然后，R+和R-互相反应产生单重激发态，激发态回到基态时发光。用方程式表示如下： R → R+ + e R + e → R- R- + R+→ 2R* R*→ R +hv 大多数芳香族化合物的电化学发光是按此机理进行。 1.1. 2.2 通过三重激发态途径的电化学发光（T-Route） 一般是在电极上施加一定的电压，使分子R在电压作用下氧化或还原产生R+或R-，然后，R+或R-互相反应产生三重激发态，激发态回到基态时发光，用方程式表示如下：
电化学发光原理介绍
电化学发光原理 一、概念 电化学发光免疫测定 Electrochemiluminescence immunoassay, ECLI. ECLI 是继放射免疫、酶免疫、荧光免疫、化学发光免疫测 定以后得新一代标记免疫测定技术。 电化学发光法源于电化 学法和化学发光法，而ECLI 是电化学发光ECL 和免疫测定相 结合的产物，是一种在电极表面由电化学引发的特异性化学 发光反应，包括了电化学和化学发光二个过程。 ECL 不仅可以应用于所有的免疫测定，而且还可用于DNA/RNA 探针检测。 二、反应底物 ECL 反应底物有两种： 三氯联吡啶钌[Rubpy3]2 + 络合物： 钌Ruthenium ，Ru ，原子序数44，原子量101.07.元素名来自拉丁文，原意是“俄罗斯”。1827年俄国化学家奥赞在铂矿中发现钌;1844年俄国化学家克劳斯肯定它是一种新元素。钌在地壳中的含量约为十亿分之一，在铂系元素中含量最少的一个。钌常与其他铂系元素一起分散于冲积矿床和砂积矿床中。钌有7种天然稳定同位素：钌96、98、99、100、101、102、104。 钌为银白色金属，熔点2310℃，沸点3900℃，密度12.37*103/m3. 钌的化学性质不活泼，在空气和潮湿环境中稳定；不溶于酸和王水，溶于熔融的强碱、碳酸盐、氰化物等；加热到900℃，时能与氧反应；加热时能与氟、氯、溴反应；钌有形成配位化合物的强烈倾向，还有很好的催化功能。 钌是铂和钯的有效硬化剂；金属钛中加入0.1%的钌就可大大提高耐腐蚀性；‘钌钼合金是一种超导体；含钌的催化剂多用于石油化工。 三、电化学发光反应原理 电化学反应过程；在工作电极上阳极加一定的电压能量作用下，二价的三氯联吡啶钌 [Rubpy3]2+释放电子发生氧化反应而成为三价的三氯联吡啶。 钌[Rubpy3]3+，同时，电极表面的TPA 也释放电子发生氧化反应而成为阳离子自由基TPA+，并迅速自发脱去一个质子而形成三丙胺自由基TPA ，这样，在反应体系就存在具有强氧化性的三价的三氯联吡啶钌[Rubpy3]3+ 和具有强还原性的三丙胺自由基TPA ； 化学发光过程：具有强氧化性的三价的三氯联吡啶钌[Rubpy3] 3+ 和具有强还原性的三丙胺自由基TPA 发生氧化还原反应，结果使三价的三氯联吡啶钌[Rubpy3 ]3+ 还原成激发态的二价的三氯联吡啶钌[Rubpy3] 2+，其能量来源于三价的三氯联吡啶钌[Rubpy3] 3+ 与三丙胺自由基TPA 之间的电势差，激发态[Rubpy3] 2+ 以荧光机制衰变并以释放出一个波长为620nm 光子的方式释放能 流式微信：流式专家
电化学发光测定原理
电化学发光免疫测定 电化学发光免疫测定 电化学发光反应：电化学发光（electro－chemiluminescence，ECL)是一种在电极表面由电化学引发的特异性化学发光反应，实际上包括了电化学和化学发光两个过程。化学发光剂三联吡啶钌[Ru(bpy)3]2+(图1）和电子供体三丙胺（TPA）在阳电极表面同时各失去一个电子发生氧化反应（图2）。二价的[Ru(bpy)3]2+被氧化成三价，后者是一种强氧化剂。TPA 被氧化成阳离子自由基TPA+*（参见图2），后者很不稳定，自发地失去一个质子（H+），形成自由基TPA*，这是一种非常强的还原剂。这两个高反应基团在电极表面迅速反应，三价的[Ru(bpy)3]3+被还原形成激发态的二价 [Ru(bpy)3]2+*，能量来源于[Ru(bpy)3]3+和TPA*之间存在的高电化学电位差。TPA*自身被氧化成二丙胺和丙醛。接着激发态的 [Ru(bpy)3]2+*衰减成基态的[Ru(bpy)3]2+，同时发射一个波长620nm的光子。这一过程在电极表面周而复始地进行，产生许多光子，使光信号得以增强。 图1 三联吡啶钌NHS Ru2＋* -H+光子 TPA* Ru3+ Ru2＋ TPA+* TPA ＋ -e -e ＋ 图2 在电极表面的ECL反应 Ru2＋: [ Ru(bpy)3] 2+基态 Ru3＋: [Ru(bpy)3]3+氧化态 Ru2＋*: [Ru(bpy)3]2+* 激发态 二、电化学发光免疫测定 以三联吡啶钌作为标记物，标记抗原或抗体，通过免疫反应及ECL反应，即可进行电化学发光免疫测定（ECLIA）。在实际应用中则尚有特定的仪器和试剂。瑞士罗氏公司（ROCHE）的Elecsys ECLIA系统，综合了各种先进技术，具有独特的优越性，已在医学检验中取得广泛应用。 Elecsys全自动分析仪分成两个部分：在试管内化学反应部分和在流动池内的ECL反应部分。 （一）试管内的化学反应 1、试剂的组成 在Elecsys试剂的制备中，包括电化学发光剂的标记和抗原或抗体的固相化，应用了多种先进技术，简述如下： （1）电化学发光剂的标记 [Ru(bpy)3]2+需经化学修饰形成活化的衍生物后才能与抗体或抗原形成结合物。有多种活性基团可与[Ru(bpy)3]2+分子中的砒啶基反应。在Elecsys试剂中采用的是N羟基琥珀酰胺酯（NHS）（图1）。该衍生物具有水溶性，可与抗体、蛋白质抗原、半抗原、激素、核酸等各种分子结合形成稳定的标记物。而且[Ru(bpy)3]2＋NHS分子量很小，与免疫球蛋白结合的分子比超过20仍不会影响抗体的可溶性和免疫活性。 （2）固相载体 Elecsys中采用的固相载体是带有磁性的直径约2.8μm的聚苯乙烯微粒。其特点是表面积极大，吸附效率高；在液体中形成均匀的悬液，参与反应时类似液相，反应速度快。由于带有磁性，在游离标记物与结合标记物分离时，只需用磁铁吸引，方便迅速。 （3）链霉亲和素与生物素系统的应用