缺陷调控硫簇半导体电化学发光与生物分析研究

Open framework chalcogenide nanoclusters with regular geometrical shape represent a new type of solid-state semiconductor materials with the combination of porosity and semiconducting properties, which show great promising in analytical chemistry. In this project, we wish to develop novel low toxic chalcogenide nanoclusters with high electroluminescence (ECL) efficiency by the doping of metal atoms in the inner vacancy of the nanocluster, and apply it on electrogenerated chemiluminescence biosensing applications. To accomplish this goal, the novel non-cadmium chalcogenide nanocluster with low toxicity will be synthesized. This project includes the design and synthesis of doped chalcogenide nanocluster, investigations on the ECL properties and the ECL mechanism, developing new analytical methods based on the chalcogenide nanoclusters, building high performances biosensing platforms for real samples analysis. We believe this project will not only essentially promote the development of novel ECL nanomaterials with high efficiency but also facilitate the development of new theory and methods of ECL biosensing.

开放骨架硫簇化合物由于其独特的结构特征及半导体性质在分析化学的研究中具有潜在的应用价值。本项目拟利用硫簇半导体优异的三维多孔结构特征和电化学发光性能，在硫簇半导体的合成、缺陷掺杂和电化学发光生物分析方面开展系统的研究，探索非铬低毒性空位缺陷开放骨架硫簇半导体及其元素掺杂的合成新方法，揭示元素掺杂对硫簇半导体结构、能级及电化学发光性能调控及机制；建立基于硫簇半导体电化学发光生物分析的新原理新方法；发展高灵敏高选择性电化学发光生物分析平台并应用于实际样品的分析。本项目的实施不仅将有效地推进高效电化学发光新材料的发展和新机制的揭示，也将会进一步促进电化学发光生物分析新原理、新技术和新方法的发展。

新型高效电化学发光材料的发现和合成以及电化学发光新机制的揭示，及高效电化学发光面生物分子识别和信号转换机制的开发将会为电化学发光分析新原理的提出和新方法的建立提供可能性，是发展高效电化学发光生物传感研究的关键。在该项目资助下，我们设计合成了系列元素掺杂和染料共组装硫簇化合物，系统研究了其电化学发光增强机制和生物分析应用，通过原位掺杂Mn2+及其掺杂量的调节实现对ZnInS无镉硫簇ECL效率的调控，ECL效率最高可达27.1%，揭示了异位缺陷辅助增强硫簇电化学ECL发射的新机制，阐明了强Mn···Mn相互作用对ECL发射的抑制作用，为通过缺陷和掺杂调控高效ECL半导体纳米探针提供借鉴；设计合成了(Ru(phen)32+)非共价共组装硫簇复合物，揭示了硫簇和邻菲罗啉钌之间的电荷转移显著增强其电化学发光的ECL机制，相比其它有机ECL探针的固定化方法，该分子层次共组装硫簇复合物具有高负载率，并具备优异的ECL发射稳定性和高的ECL发光效率，基于硫簇化合物优异的ECL特性，成功构建了固态ECL传感器，并实现溶解氧及碱性磷酸酶的高灵敏选择性检测，在生物分析方面显示出良好的应用前景。发展了缺陷、元素掺杂和表面修饰调控MXene电化学和电化学发光新方法，实现对其电催化电化学发光性能的提升，揭示了其活性位点调控及电催化增强ECL发射机制，结合多位点高效电极界面识别，建立了外泌体和激酶等生物分子的高灵敏、高选择性电化学发光分析新方法，并成功用于人血清样品中标志物的检测，促进了电化学发光生物分析新方法的发展及高效电化学发光新材料的开发和新机制的揭示，为精准医疗提供了有力工具。相关研究工作在Anal. Chem.等期刊上发表SCI论文26篇，其中5篇入选高被引论文，授权中国发明专利1项。培养博士生5名，硕士生2名，其中1人入选北京市优秀硕士研究生。