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西南大学发现改变硫量子点可以电致化学发光

2020-11-20 07:10:54

电化学化学发光(ECL)结合了电化学和化学发光技术的特点,具有低背景、高选择性、低检测限和宽响应范围的优点,并且具有近红外ECL发射的材料由于其良好的组织穿透性、可忽略背景干扰和低光化学损伤,在生物医学和诊断领域引起了越来越多的关注。量子点由于其量子尺寸效应、优异的磁性和良好的光电性能,在生物标记、抗菌药物、发光二极管和显示器等领域的应用极为广泛。然而,含重金属的量子点由于潜在毒性和环境危害而限制了它们的应用。因此,近年来,研究人员致力于寻找无毒或无重金属的量子点,特别是一些纯元素的量子点,如碳、硅、磷和硫。在已报道的纯元素量子点中,硫量子点(SQDs)因其良好的水分散性、低毒性、优异的化学性能和良好的生物活性而越来越受到关注。然而,到目前为止,关于SQDs的ECL性能的文献报道却很少。
MicroRNAs(miRNAs)是一种微观而丰富的非编码RNA,其异常表达与许多疾病有关,因此对miRNAs的超敏检测仍有很高的要求。为了提高检测灵敏度,核酸扩增策略被广泛应用,包括链置换扩增(SDA)、催化发夹组装(CHA)、环介导等温扩增(LAMP)等。同时,DNA行走机的构建也是提高检测灵敏度的有效途径。
最近,西南大学袁若团队通过改变硫量子点的大小和分散性来探索ECL的性能。研究发现,块状的硫点(S dots)ECL性能较差,而用H2O2蚀刻S dots后得到的SQDs具有优异的近红外ECL性能。原因是H2O2改变了S dots的尺寸,使其更加分散,削弱了聚集诱导猝灭效应,且刻蚀改变了SQDs表面状态,明显提高了ECL性能。并且该团队还基于此材料作为发光体,结合一种新颖高效的DNA步行器作为信号放大,构建了一种超灵敏检测癌症标志物miRNA-21的生物传感器。如下图所示,该传感器具有以下特点:首先,以SQDs作为发光体可以得到一个较高的初始信号;其次,可以通过双特异性核酸酶(DSN)的辅助实现目标物循环扩增过程;最后,与普通的基于单链或者双链的DNA步行器相比,该团队设计的高效的DNA步行器以DNA三链体作为轨道,克服了探针缠绕和潜在空间位阻效应等缺点,显著提高了步行器的行走效率,明显增强了信号放大效率,可以极大地提高生物传感器的灵敏度。
因此,设计的ECL生物传感器在20 aM到1 nM的浓度范围内对于miRNA-21表现出了优异的检测性能,且检测限为6.67 aM。值得注意的是,这项工作丰富了纯元素量子点在ECL领域的应用,为临床和生化分析的超敏检测提供了新的途径。
这一研究成果近期发表在Analytical Chemistry上,文章的第一作者为西南大学化学化工学院的硕士研究生刘琳蕾,西南大学化学化工学院的王海军、袁若教授为通讯作者。相关研究工作得到国家自然科学基金委的支持。
西南大学袁若教授团队报道新一代电致化学发光材料:近红外聚集诱导四苯乙烯纳米晶
近红外电致化学发光(NIR ECL)结合了近红外发射背景干扰小、光化学损伤小、组织穿透性强以及电致化学发光通用性强、稳定性高、背景信号低、可控性好等优点,在生物传感和成像领域备受关注。目前,NIR ECL的研究主要集中于半导体量子点以及金属纳米簇这两类发光体,但仍存在生物相容性差,ECL发光效率低等问题。因此,开发具有近红外发射的低毒、高发光效率的ECL材料具有重要意义。
近日,西南大学袁若、柴雅琴团队以单个的四苯乙烯(TPE)分子,通过芳环的π-堆积作用以自组装的方式制备了具有近红外ECL发光性质的四苯乙烯纳米晶。当单个的TPE分子聚集在一起形成TPE纳米晶(NCs)时,得到了较低的能量间隙,从而实现了电子空穴的高效复合,通过ECL途径获得激发态。此外,单个的TPE分子在TPE NCs中有序排列,导致苯环的分子内自由旋转受到限制,减少了非辐射弛豫,进一步实现了ECL的增强。相较于TPE NCs带隙跃迁发射的蓝色荧光,TPE NCs的ECL光谱红移至近红外区(678 nm),这归因于TPE分子在TPE NCs中有序排列后共轭程度变高,带隙减小,因此,通过表面态型的窄带隙ECL途径跃迁导致光谱红移。
相较于传统的近红外ECL发光材料,四苯乙烯纳米晶(TPE NCs)通过聚集TPE分子来提高电子空穴复合效率,抑制非辐射跃迁,实现了聚集诱导增强的ECL发射。此外,与蓝光的光致发光(PL)发射(440 nm)相比,TPE NCs在近红外区表现出较强的ECL发射(678 nm),由于其对可见光的背景干扰较低,组织穿透较深,在ECL传感和生物成像方面具有广阔的应用前景。
这一研究成果近期发表在Chemical Science上,文章的第一作者为西南大学化学化工学院的博士研究生刘佳莉,西南大学化学化工学院的袁若教授为通讯作者。相关研究工作得到国家自然科学基金委的支持。
四苯基乙烯微晶:聚集诱导增强的电化学发光新材料
聚集诱导发光(aggregation-induced emission,AIE)类有机发光材料具有典型的“人多力量大”(越聚集发光越强)的特性,目前在有机发光体在有机发光二极管(OLED)、质子溶剂以及生物荧光探针系统中得到广泛应用。电化学发光(ECL),是指利用电极提供能量使电极表面附近的发光物质进行电化学和化学反应而形成能量高的激发态,再由激发态返回到能量相对低的能态时以光的形式辐射出能量的过程,已成为现代分析科学的前沿领域之一。近日,西南大学袁若(点击查看介绍)团队卓颖(点击查看介绍)教授课题组在Analytical Chemistry上发表论文,报道了四苯基乙烯(Tetraphenylethylene,TPE)微晶在水溶液中具有显著增强的聚集诱导电化学发光性质,并进一步构建了一个特异性检测黏蛋白1(MUC1)的ECL生物传感器。
在此工作中,作者通过自组装方法首次制备了六棱柱型的四苯基乙烯微晶(TPE MCs),并发现与处于游离状态下的TPE分子相比,此聚集态的TPE(TPE MCs)在水溶液中的ECL响应提高了近30倍。究其原因,从结构上分析,TPE中具有螺旋桨构象的四个苯环在分子游离状态下能够自由旋转,这可能通过非辐射驰豫路径消耗能量。而在TPE MCs中,分子内四个苯环的运动受到限制,故可抑制非辐射驰豫通道并使激发态辐射发光。因此,作者将TPE MCs所具有的这一现象定义为分子内运动受限驱动的聚集诱导电化学发光增强。随后,他们将该新型的ECL材料TPE MCs与目标物活化的双腿DNA步行器结合,构建了一个特异性检测黏蛋白1(MUC1)的ECL生物传感器,检测限低至0.29 fg/mL。综上所述,RIM-ECL增强新机理的提出为有机发光体在聚集态下的电化学发光研究及分析应用打开了一个全新的章节。
这一研究成果近期发表在Analytical Chemistry上,文章的第一作者为西南大学化学化工学院的硕士研究生蒋明会,西南大学化学化工学院的卓颖教授为通讯作者。相关研究工作得到国家自然科学基金委的支持。
来源:x-mol
转载:贤集网-英萌

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