第一作者：Cuiyan Han
通訊作者：Weiwei Guo
通訊單位：南開大學(xué)
研究內(nèi)容：
電化學(xué)發(fā)光(ECL)由于其高靈敏度、高選擇性、易于時(shí)空控制和簡化的光學(xué)設(shè)置，在各種分析應(yīng)用中顯示出巨大的潛力，特別是在生物目標(biāo)的傳感方面。然而，在對復(fù)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(jié)合和ECL傳感界面的物理損傷，ECL傳感器往往會受到嚴(yán)重的干擾。在此基礎(chǔ)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(fù)性能。將一種牛血清白蛋白(BSA)定向熒光金/銀合金納米團(tuán)簇(Au/Ag NCs)的蛋白質(zhì)水凝膠用于構(gòu)建ECL傳感系統(tǒng)。該水凝膠基質(zhì)有利于作為ECL探針的熒光金/銀NCs的固定，其多孔親水結(jié)構(gòu)使得小分子生物靶標(biāo)在排斥大分子干擾的同時(shí)可以自由擴(kuò)散。此外，水凝膠具有良好的自修復(fù)性能，切割后10 min內(nèi)ECL強(qiáng)度迅速恢復(fù)。水凝膠ECL系統(tǒng)成功應(yīng)用于血清中谷胱甘肽(GSH)的傳感，驗(yàn)證了基于水凝膠的抗生物淤積ECL傳感系統(tǒng)在復(fù)雜生物樣品傳感中的適用性。該研究可能會為生物傳感應(yīng)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(diǎn)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(fù)雜生物樣品進(jìn)行傳感時(shí)，對生物大分子特別是蛋白質(zhì)的非特異性吸附以及電極表面的物理劃痕嚴(yán)重影響了其精度和實(shí)用性。為了滿足實(shí)際生物傳感應(yīng)用中抗干擾和長期應(yīng)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(fù)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(shí)具有抗生物淤積和自修復(fù)特性的ECL傳感系統(tǒng)的研究因此，構(gòu)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(shí)際生物應(yīng)用具有重要意義。由三維交聯(lián)親水聚合物網(wǎng)絡(luò)組成的水凝膠作為建筑材料在構(gòu)建電化學(xué)和ECL生物傳感系統(tǒng)中受到了廣泛的關(guān)注。水凝膠的多孔結(jié)構(gòu)使得ECL探針的高效固定化成為可能，同時(shí)允許小分子ECL試劑和生物靶標(biāo)的快速擴(kuò)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(jìn)了ECL生物傳感系統(tǒng)的生物應(yīng)用
要點(diǎn)二：
由于量子限制效應(yīng)，貴金屬納米團(tuán)簇具有獨(dú)特的大小依賴的光學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)，在ECL生物傳感系統(tǒng)方面有著很大的應(yīng)用前景。
要點(diǎn)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(yīng)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(zhì)的多孔結(jié)構(gòu)可以防止蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)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(jià)交聯(lián)機(jī)制，所以可以賜予水凝膠良好的自修復(fù)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(yīng)變下對Au/Ag NCs@BSA水凝膠進(jìn)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(jī)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(qiáng)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(shí)間變化曲線(藍(lán)色)和ECL強(qiáng)度隨時(shí)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(gè)周期內(nèi)的ECL強(qiáng)度隨時(shí)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(guān)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(qiáng)度(黑色曲線)和10 mg mL 1 IgG存在時(shí)的ECL強(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(gè)過程中，包括將水凝膠樣品切成兩段，連接兩個(gè)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(yīng)變從5%到2000%再回到5%的三階振蕩時(shí)間掃描。E) Au/Ag NCs@BSA水凝膠ECL體系切割后ECL強(qiáng)度的恢復(fù)研究。F) Au/Ag NCs@BSA水凝膠自愈機(jī)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(qiáng)度。B)表示ΔECL (ΔECL = I0 I)作為GSH濃度函數(shù)的相應(yīng)校準(zhǔn)圖(插入，ΔECL強(qiáng)度與GSH濃度之間的線性關(guān)系)。C) Au/Ag NCs@BSA水凝膠ECL系統(tǒng)的ECL強(qiáng)度分別對PBS緩沖液、1200 *10-6 M GSH和PBS緩沖液有響應(yīng)。D)第1天和25天后的ECL強(qiáng)度。E) GSH對Au/Ag NCs@BSA水凝膠ECL發(fā)射的猝滅機(jī)理示意圖。
參考文獻(xiàn)
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.
