第一作者：Cuiyan Han
通訊作者：Weiwei Guo
通訊單位：南開大學
研究內容：
電化學發(fā)光(ECL)由于其高靈敏度、高選擇性、易于時空控制和簡化的光學設置，在各種分析應用中顯示出巨大的潛力，特別是在生物目標的傳感方面。然而，在對復雜生物樣品的傳感過程中，由于生物大分子不可避免的非特異性結合和ECL傳感界面的物理損傷，ECL傳感器往往會受到嚴重的干擾。在此基礎上，開發(fā)了一種基于水凝膠的ECL生物傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的抗生物淤積和自修復性能。將一種牛血清白蛋白(BSA)定向熒光金/銀合金納米團簇(Au/Ag NCs)的蛋白質水凝膠用于構建ECL傳感系統(tǒng)。該水凝膠基質有利于作為ECL探針的熒光金/銀NCs的固定，其多孔親水結構使得小分子生物靶標在排斥大分子干擾的同時可以自由擴散。此外，水凝膠具有良好的自修復性能，切割后10 min內ECL強度迅速恢復。水凝膠ECL系統(tǒng)成功應用于血清中谷胱甘肽(GSH)的傳感，驗證了基于水凝膠的抗生物淤積ECL傳感系統(tǒng)在復雜生物樣品傳感中的適用性。該研究可能會為生物傳感應用中的新型抗生物污染和自愈ECL生物傳感器的開發(fā)提供啟示。
要點一：
ECL生物傳感系統(tǒng)作為一種對電極表面狀態(tài)極其敏感的方法，在對復雜生物樣品進行傳感時，對生物大分子特別是蛋白質的非特異性吸附以及電極表面的物理劃痕嚴重影響了其精度和實用性。為了滿足實際生物傳感應用中抗干擾和長期應用的要求，迫切需要開發(fā)具有抗生物污染和自愈特性的ECL生物傳感系統(tǒng)。對于具有自修復特性的ECL生物傳感系統(tǒng)的開發(fā)研究較少，更少的是同時具有抗生物淤積和自修復特性的ECL傳感系統(tǒng)的研究因此，構建既具有防污性能又具有自愈性能的ECL生物傳感系統(tǒng)對實際生物應用具有重要意義。由三維交聯(lián)親水聚合物網絡組成的水凝膠作為建筑材料在構建電化學和ECL生物傳感系統(tǒng)中受到了廣泛的關注。水凝膠的多孔結構使得ECL探針的高效固定化成為可能，同時允許小分子ECL試劑和生物靶標的快速擴散。此外，水凝膠的高含水率、柔韌性和良好的生物相容性也促進了ECL生物傳感系統(tǒng)的生物應用
要點二：
由于量子限制效應，貴金屬納米團簇具有獨特的大小依賴的光學和電化學性質，在ECL生物傳感系統(tǒng)方面有著很大的應用前景。
要點三：
作為一種無與倫比的建筑材料，水凝膠還可以用于開發(fā)用于生物應用的高性能ECL生物傳感系統(tǒng)，特別是具有抗生物淤積和自愈特性的ECL生物傳感系統(tǒng)。水凝膠基質的多孔結構可以防止蛋白質等大分子物質接觸和污染電極表面，并通過引入氫鍵、疏水相互作用、靜電相互作用或聚合物鏈物理糾纏等非共價交聯(lián)機制，所以可以賜予水凝膠良好的自修復特性
示意圖1：具有自愈和防污性能的Au/Ag NCs@BSA水凝膠制備工藝示意圖及基于Au/Ag NCs@BSA水凝膠的GSH檢測ECL傳感系統(tǒng)示意圖。
圖1：A) Au/Ag NCs@BSA水凝膠的熒光激發(fā)光譜(黑色曲線)和發(fā)射光譜(紅色曲線)。B) Au/Ag NCs@BSA水凝膠在室溫下的照片(左)和在365 nm紫外燈下的照片(右)。C)在5%固定應變下對Au/Ag NCs@BSA水凝膠進行振蕩掃頻測量。D) Au/Ag NCs@BSA水凝膠(Au/Ag摩爾比為6/1)凍干后的SEM圖像。
圖2: A) step-potential法在TEA存在下ECL生成Au/Ag NCs@BSA水凝膠的機理示意圖。B)在循環(huán)伏安掃描過程中，裸GCE(黑色曲線)和Au/Ag NCs@BSA水凝膠修飾的GCE(紅色曲線)的ECL強度分別為0.1 V s -1。C) Au/Ag NCs@BSA水凝膠修飾的GCE在臺階電位從1.3到+1.3 V和回到1.3 V期間的電流隨時間變化曲線(藍色)和ECL強度隨時間變化曲線(紅色)。D) Au/Ag NCs@BSA水凝膠修飾的GCE在1.3 V (100 s)到+1.3 V (1.3 s)再回到1.3 V (50 s)的10個周期內的ECL強度隨時間的變化曲線。
圖3：A)通過滴注不同體積的水凝膠溶液，得到不同厚度的水凝膠膜的SEM圖像。B) Au/Ag NCs@BSA水凝膠的膜厚與體積的線性關系。C)以0.1 m TEA作為ECL共試劑，滴注不同體積的水凝膠溶液形成的Au/Ag NCs@BSA水凝膠ECL體系，空白PBS緩沖液中的ECL強度(黑色曲線)和10 mg mL 1 IgG存在時的ECL強度(紅色曲線)。
圖4：A) Au/Ag NCs@BSA水凝膠ECL體系在不同干擾下的ECL強度。B)基于Au/Ag NCs@BSA水凝膠的ECL生物傳感系統(tǒng)抗生物污染機理示意圖。C)代表一塊金/銀NCs@BSA水凝膠的自愈合行為的照片在一個過程中，包括將水凝膠樣品切成兩段，連接兩個水凝膠片以允許自愈合發(fā)生，并拉伸愈合的水凝膠樣品。D)在固定頻率為1 Hz的情況下，交替應變從5%到2000%再回到5%的三階振蕩時間掃描。E) Au/Ag NCs@BSA水凝膠ECL體系切割后ECL強度的恢復研究。F) Au/Ag NCs@BSA水凝膠自愈機理示意圖。
圖5：A) Au/Ag NCs@BSA水凝膠傳感系統(tǒng)在不同濃度GSH存在下的ECL強度。B)表示ΔECL (ΔECL = I0 I)作為GSH濃度函數(shù)的相應校準圖(插入，ΔECL強度與GSH濃度之間的線性關系)。C) Au/Ag NCs@BSA水凝膠ECL系統(tǒng)的ECL強度分別對PBS緩沖液、1200 *10-6 M GSH和PBS緩沖液有響應。D)第1天和25天后的ECL強度。E) GSH對Au/Ag NCs@BSA水凝膠ECL發(fā)射的猝滅機理示意圖。
參考文獻
Han, C.; Guo, W., Fluorescent Noble Metal Nanoclusters Loaded Protein Hydrogel Exhibiting Anti-Biofouling and Self-Healing Properties for Electrochemiluminescence Biosensing Applications. Small 2020, 16 (45), e2002621.
