第一作者：ong>Cuiyan Han

通讯作者：Weiwei Guo

通讯单位：南开大学

研究内容：

电化学发光(ECL)由于其高灵敏度、高选择性、易于时空控制和简化的光学设置，在各种分析应用中显示出巨大的潜力，特别是在生物目标的传感方面。然而，在对复杂生物样品的传感过程中，由于生物大分子不可避免的非特异性结合和ECL传感界面的物理损伤，ECL传感器往往会受到严重的干扰。在此基础上，开发了一种基于水凝胶的ECL生物传感系统，该系统具有良好的抗生物淤积和自修复性能。将一种牛血清白蛋白(BSA)定向荧光金/银合金纳米团簇(Au/Ag NCs)的蛋白质水凝胶用于构建ECL传感系统。该水凝胶基质有利于作为ECL探针的荧光金/银NCs的固定，其多孔亲水结构使得小分子生物靶标在排斥大分子干扰的同时可以自由扩散。此外，水凝胶具有良好的自修复性能，切割后10 min内ECL强度迅速恢复。水凝胶ECL系统成功应用于血清中谷胱甘肽(GSH)的传感，验证了基于水凝胶的抗生物淤积ECL传感系统在复杂生物样品传感中的适用性。该研究可能会为生物传感应用中的新型抗生物污染和自愈ECL生物传感器的开发提供启示。

要点一：

  ECL生物传感系统作为一种对电极表面状态极其敏感的方法，在对复杂生物样品进行传感时，对生物大分子特别是蛋白质的非特异性吸附以及电极表面的物理划痕严重影响了其精度和实用性。为了满足实际生物传感应用中抗干扰和长期应用的要求，迫切需要开发具有抗生物污染和自愈特性的ECL生物传感系统。对于具有自修复特性的ECL生物传感系统的开发研究较少，更少的是同时具有抗生物淤积和自修复特性的ECL传感系统的研究因此，构建既具有防污性能又具有自愈性能的ECL生物传感系统对实际生物应用具有重要意义。由三维交联亲水聚合物网络组成的水凝胶作为建筑材料在构建电化学和ECL生物传感系统中受到了广泛的关注。水凝胶的多孔结构使得ECL探针的高效固定化成为可能，同时允许小分子ECL试剂和生物靶标的快速扩散。此外，水凝胶的高含水率、柔韧性和良好的生物相容性也促进了ECL生物传感系统的生物应用

要点二：

  由于量子限制效应，贵金属纳米团簇具有独特的大小依赖的光学和电化学性质，在ECL生物传感系统方面有着很大的应用前景。

要点三：

  作为一种无与伦比的建筑材料，水凝胶还可以用于开发用于生物应用的高性能ECL生物传感系统，特别是具有抗生物淤积和自愈特性的ECL生物传感系统。水凝胶基质的多孔结构可以防止蛋白质等大分子物质接触和污染电极表面，并通过引入氢键、疏水相互作用、静电相互作用或聚合物链物理纠缠等非共价交联机制，所以可以赐予水凝胶良好的自修复特性

示意图1：具有自愈和防污性能的Au/Ag NCs@BSA水凝胶制备工艺示意图及基于Au/Ag NCs@BSA水凝胶的GSH检测ECL传感系统示意图。

图1：A) Au/Ag NCs@BSA水凝胶的荧光激发光谱(黑色曲线)和发射光谱(红色曲线)。B) Au/Ag NCs@BSA水凝胶在室温下的照片(左)和在365 nm紫外灯下的照片(右)。C)在5%固定应变下对Au/Ag NCs@BSA水凝胶进行振荡扫频测量。D) Au/Ag NCs@BSA水凝胶(Au/Ag摩尔比为6/1)冻干后的SEM图像。

图2: A) step-potential法在TEA存在下ECL生成Au/Ag NCs@BSA水凝胶的机理示意图。B)在循环伏安扫描过程中，裸GCE(黑色曲线)和Au/Ag NCs@BSA水凝胶修饰的GCE(红色曲线)的ECL强度分别为0.1 V s ^-1。C) Au/Ag NCs@BSA水凝胶修饰的GCE在台阶电位从1.3到+1.3 V和回到1.3 V期间的电流随时间变化曲线(蓝色)和ECL强度随时间变化曲线(红色)。D) Au/Ag NCs@BSA水凝胶修饰的GCE在1.3 V (100 s)到+1.3 V (1.3 s)再回到1.3 V (50 s)的10个周期内的ECL强度随时间的变化曲线。

图3：A)通过滴注不同体积的水凝胶溶液，得到不同厚度的水凝胶膜的SEM图像。B) Au/Ag NCs@BSA水凝胶的膜厚与体积的线性关系。C)以0.1 m TEA作为ECL共试剂，滴注不同体积的水凝胶溶液形成的Au/Ag NCs@BSA水凝胶ECL体系，空白PBS缓冲液中的ECL强度(黑色曲线)和10 mg mL 1 IgG存在时的ECL强度(红色曲线)。

图4：A) Au/Ag NCs@BSA水凝胶ECL体系在不同干扰下的ECL强度。B)基于Au/Ag NCs@BSA水凝胶的ECL生物传感系统抗生物污染机理示意图。C)代表一块金/银NCs@BSA水凝胶的自愈合行为的照片在一个过程中，包括将水凝胶样品切成两段，连接两个水凝胶片以允许自愈合发生，并拉伸愈合的水凝胶样品。D)在固定频率为1 Hz的情况下，交替应变从5%到2000%再回到5%的三阶振荡时间扫描。E) Au/Ag NCs@BSA水凝胶ECL体系切割后ECL强度的恢复研究。F) Au/Ag NCs@BSA水凝胶自愈机理示意图。

图5：A) Au/Ag NCs@BSA水凝胶传感系统在不同浓度GSH存在下的ECL强度。B)表示ΔECL (ΔECL = I0 I)作为GSH浓度函数的相应校准图(插入，ΔECL强度与GSH浓度之间的线性关系)。C) Au/Ag NCs@BSA水凝胶ECL系统的ECL强度分别对PBS缓冲液、1200 *10^-6 M GSH和PBS缓冲液有响应。D)第1天和25天后的ECL强度。E) GSH对Au/Ag NCs@BSA水凝胶ECL发射的猝灭机理示意图。

参考文献

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.