二维摩尔超晶格调控电化学发光及其生物分析应用

Electrochemiluminescence (ECL) analysis technology, as an important branch of optical/electrical analytical chemistry, always plays the pivotal role in the fundamental research and bioanalysis of materials. The continuous development of novel ECL materials and the construction of new strategy and mechanism on the construction of an efficient biosensor platform can boost the development of biological analysis and detection with precise quantification, high sensitivity and anti-interference ability. In this project, 2D moiré superlattices are chosen as intrinsic plane defect to induce ECL behaviors, achieving the development and property regulation of new ECL materials based on 2D moiré superlattices for the construction of new principles and methods of biological analysis. Content of research includes: the preparation of BiOClxBr1-x spiral nanosheets with controlled 2D moiré superlattices; the deep understanding and revealing of the relationship between 2D moiré superlattices and ECL properties by means of in-situ electrochemical technology coupled with ECL-polarization spectra, combined with theoretical calculation, for achieving effective development and rational property modulation of ECL materials; the development of some new principles and methods for constructing a novel, unlabeled and ultra-sensitive sensors of biomolecules or ions. These results will boost the fundamental research and the application of sensing analysis of 2D moiré superlattice materials.

电化学发光分析技术作为光/电分析化学的重要分支，在材料基础研究及生物分析应用领域发挥着举足轻重的作用。精确定量、高灵敏及抗干扰的电化学发光分析检测需要不断地发展电化学发光新材料和生物分析新原理。本项目拟将二维摩尔超晶格作为本征内部面缺陷去诱导电化学发光行为，实现二维摩尔超晶格电化学发光新材料的开发及性能调控，并发展生物分析新原理及新方法。研究内容包括：BiOClxBr1-x螺旋纳米片中二维摩尔超晶格的可控制备；结合理论计算，利用原位电化学及电化学发光-光谱/偏振技术去深度理解并揭示二维摩尔超晶格效应与电化学发光性能的关系,完成电化学发光新材料开发及其性能调控；发展生物分析检测新原理新方法，实现无标、超灵敏生物分子或离子传感器的构筑。该项目研究结果将推动二维摩尔超晶格材料基础研究及传感分析应用。

开发新型的光学探针并以此发展传感新原理和新方法是实现精确定量、高灵敏及抗干扰分析检测应用的有效路径之一。优异的光学特性或传感新原理往往和材料结构或缺陷密切相关。此外，优异光学传感材料，除了要求突出的光学性质，往往也需要绿色、廉价、可扩展等特性，以满足实际应用的产业需求。基于这些背景，本项目拟利用缺陷工程实现新型优异光学传感材料的开发及其传感响应新方法的建立。首先，我们利用聚二烯丙基二甲基氯化铵诱导生成了摩尔超晶格的BiOCl纳米片，且探讨了影响形貌和摩尔超晶格的因素。随后，研究了所得螺旋纳米片的电学、光学、催化及电化学发光性质，得出BiOCl纳米片不具有电化学发光性质，但可以作为电化学发光增强探针。此外，还巧妙地设计了一种新型的水辅助前驱体工程实现了卤素钙钛矿纳米晶缺陷的有效钝化，获得了优异的荧光材料。该工程廉价、环保，容易用于扩展地制备钙钛矿纳米晶/聚合物复合材料，对多种钙钛矿和聚合物都有较高通用性。此工艺加工MAPbBr3/PVDF复合球体具有512 mg/mL的产能，且所得粉体展现了较高光致发光量子效率（PLQY, 80%）和优异耐水性（浸泡两个月后，PL强度仅下降< 3%），这些都和已报导可比拟。进一步，利用上述设计的弱溶剂响应诱导的传感新原理，首次实现了钙钛矿纳米晶/聚合物复合材料溶剂刺激的光学加密，将其纳入了溶剂响应的智能荧光材料家族。通过引入和去除弱溶剂，钙钛矿基复合材料荧光可以被淬灭和恢复，实现了荧光信号的可逆切换。所提出的水辅助弱溶剂溶胀原理，同时克服了严重阻碍卤素钙钛矿商业化和工业化的四个因素(溶剂毒性、内在不稳定性、产率低和可扩展性差)，可能为新型钙钛矿纳米晶/聚合物复合材料的可控设计和可扩展制造提供新的机会，以促进新兴应用的发展。