韩凌子

大连艾科科技开发有限公司

基于光电传感原理的探针构建及其分析检测应用

韩凌子

大连艾科科技开发有限公司

电化学发光的分析技术不仅拥有化学发光的优势，还有较高的灵敏度、测定范围广泛、操作容易、快速以及自动化程度高等优势，已经备受瞩目，而且在免疫分析、环境分析、农残分析、食品分析、药物分析和其他重要基因疾病的分子水平诊断等方面有着良好的发展前景。纳米材料具有大的比表面积、化学反应活性和尺寸效应，已被广泛用于固态电化学发光传感器的构建。在电极表面固定的大量生物分子和发光探针三联吡啶钌，能够显著地提高电化学发光传感器的性能，因此进一步加强对其的研究非常有必要。基于此本文分析了光电传感原理的探针构建及其分析检测应用。

电化学发光；反应；

2.2 阴极发光电化学发光

阴极电化学发光是通过电化学反应生产的反应物进行电子传递的一种化学发光反应。这种热电子具有很强的还原性，能够与电解液发生反应，是反应物在阴极产生强氧化性的自由基。

1、概述

1.1 电化学发光基本概念及体系

电化学发光又称电致电化学发光(Electrochemiluminscence，ECL)，是电化学和化学发光两个过程的完美结合，指物质在电极上经历了高能量的电子转移反应后，形成不稳定激发态又迅速返回到基态而产生的一种发光现象。

在反应体系中，主要以三联吡啶钌及其衍生物为代表的金属有机化合物体系和以鲁米诺为代表的酰肼类化合物体系研究较多。

1.2 三联吡啶钌Ru(bpy)32+电化学发光反应机理Hercules和Lytle首先报道了Ru(bpy)32+的化学发光现象，在强酸或强碱性的Ru(bpy)32+溶液中加入胺，能够观察到橘红色的发光。后来研究证实，具有良好的稳定性、电化学可逆、可重复激发、检测灵敏度高、线性范围宽、发光效率高等特点。后来Tokel 和Bard首先报道了用电化学方法产生Ru(bpy)32+的激发态，观察到了Ru(bpy)3

2+的电化学发光现象。电子转移图如图1所示，反应方程式为：

图1 Ru(bpy)33+/Ru(bpy)3+电化学发光体系的机制

2、电化学发光反应的一般机制

常见的电化学发光反应机制有三种：湮灭反应，共反应剂反应和氧化物修饰的阴极电化学发光反应。

2.1 湮灭反应电化学发光

湮灭反应电化学发光是指通过对同一电极反复施加不同电位使电极上产生氧化剂和还原剂，进而发生氧化还原反应产生电化学发光。以Ru(bpy)32+为例，Ru(bpy)32+在+1.2V(vsAg/AgCl)被氧化，Ru(bpy)32+在-1.4V，Ru(bpy)33+和Ru(bpy)3+发生反应生成激发态[Ru(bpy)32+]*，[Ru(bpy)32+]*激发态回到基态时，发出波长为610nm的橘红色光，机理如下方程式所示，机理图见图1：

由于热电子是一种非常强的还原剂，一般采用半导体充当电极材料，在一定条件下提供热电子，能够还原电氧化产生的Ru(bpy)3+，

3生成激发态[Ru(bpy)32+]*，[Ru(bpy)32+]*跃迁回到基态产生光现象。通常，在某些氧化物修饰的金属电极如铝、钽、锰上可以观察到阴极电化学发光。

3、应用

高岭土(HNTs)是很常见的一类物质，属于天然的非金属矿产。在全世界高岭土分布都很广泛.高岭土的主要成分是高岭石，当高岭石经历了一系列的风化、沉积过程，就形成了高岭土。高岭土纳米管是经天然卷曲形成的管状结构，具有典型的纳米级尺寸、大的长径比。高岭石的化学式是Al4(Si4O10)·(OH)8，若将其写成氧化物的形式，则为2Al2O3·4SiO2·4H2O，它是一层铝氧八面体与一层硅氧四面体彼此共用氧原子，从而组合在一起排列成层状结构，管长约1-15nm，管外径50-70nm，管内经8-30nm。高岭土的表面含有如下官能团：-Si(Al)-OH，-Si-O-Al-和-Si(Al)-O，这些活性官能团使得高岭土的内表面带正电荷，主要是Al2O3起作用；外表面带负电荷，主要是SiO2起作用。内外表面所带的电荷不同，为高岭土的改性打下了良好的基础。此外，高岭土的化学性质稳定，具有高流动性、良好的成型性以及较高的机械强度等特点。此外，碳纳米管的价格过于昂贵，远比高岭土纳米管的价格高，所以开发出一种基于高岭土的电化学发光传感器十分有必要。

同质量的金属Au与Au纳米粒子相比，Au纳米粒子具有大得多的表面积，且将具有相同表面积的金属Au与Au纳米粒子相比，Au纳米粒子表面的原子总数比金属Au表面的原子总数多很多，这是因为Au纳米粒子为超细微粒，粒度比金属Au小很多。由上述原因可知，Au纳米粒子的比表面积大、表面活性高，因此，可以将Ru(bpy)32+牢牢地吸附在电极表面。在电化学领域中，Au纳米粒子因其与众不同的性质被广泛应用。

在电化学中，纳米TiO2之所以被用作电极表面的修饰物质，是因为其最大的优势在于表面积较大，如此若将TiO2纳米粒子包裹在HNTs/Au管壁外部，就能够在一定程度上使HNTs的比表面积变大，从而增强Ru(bpy)32+的电化学发光强度。除此之外，纳米TiO2还具有无毒、pH稳定性等优良特性，所以纳米TiO2是很好的复合材料。

成功构建一种廉价、简便、快捷电化学发光传感器，利用金纳米粒子良好的导电性、高岭土和二氧化钛大的比表面积、大的吸附容量和良好的生物相容性，在玻碳电极表面构建一个信号放大的的电化学发光传感器。该传感器构建方法简单，能够对三丙胺TPA的检测显示出了良好的电化学发光性能，能很好地将电化学发光信号放大，充分体现了AuNPs/HNTs/TiO2复合材料的优越性及其在该传感器中的信号放大的重要作用。

[1]赵伟伟.光电化学生物分析法研究[D].南京大学，2012.

[2]孔聪.纳米复合材料传感界面构建及其光电分析应用[D].华东理工大学，2013.