共反应促进剂增强电致化学发光体系的机理研究及分析应用

Electrochemiluminescence (ECL) as a powerful analytical technique with high sensitivity and high controllability, combining the advantages of chemiluminescence and electrochemistry, has become one of the most important topics in bioanalytical science. In our previous study, we found that when a species named as coreaction acceleratorwas introduced into the conventional ECL binary system of luminophore -coreactant, the ECL intensity could be amplified significantly but the reaction mechanism is far from clear. This project devotes to study the interaction of co-reaction accelerator, luminophore and coreactant, and reveal the reaction mechanism for ECL signal amplification in the proposed novel ECL ternary systems of luminophore-coreactant-coreaction accelerator. Moreover, based on ECL-mediated ternary systems, ultrasensitive ECL aptasensors are constructed for trace determination of sepsis-associated protein markers, such as serum procalcitonin(PCT), C-reactive protein(CRP), lipopolysaccharide(LPS), etc. In conclusion, this project will provide not only the general rules for construction of sensitive and efficient ECL ternary systems of luminophore-coreactant-coreaction accelerator, but also new ideas and research strategies for trace analysis of some sepsis-associated protein markers and other proteins, DNA and small molecules with biological active. Moreover, this project has important significance for the development of ECL biosensing applications based on the proposed ECL system.

电致化学发光（ECL）分析技术兼具发光分析的高灵敏度和电化学分析的高可控性，是当前生物分析研究的热点之一。我们前期研究发现，在常规的“发光试剂-共反应试剂”ECL二元体系基础上，引入另一种物质即共反应促进剂，可显著增强ECL体系响应信号，而其作用机理尚未明确。本项目拟通过构建多种“发光试剂-共反应试剂-共反应促进剂”的ECL三元新体系，研究共反应促进剂与发光试剂及共反应试剂的相互作用，揭示其增强ECL信号的作用机理；并进一步构建基于ECL三元体系的高灵敏ECL适体传感器，实现败血症相关蛋白(如血清降钙素原PCT、C反应蛋白CRP和脂多糖LPS等)的痕量分析。本研究不仅提出构建高效、灵敏的“发光试剂-共反应试剂-共反应促进剂” ECL体系的一般规律，还为败血症相关蛋白及其他蛋白、DNA、生物活性小分子的痕量分析提供了新的思路和研究手段，这对发展ECL技术在生物分析领域中的应用具有重要意义。

围绕电化学发光分析技术在痕量疾病相关生物分子快速检测中的关键科学问题，申请人瞄准电化学发光（ECL）分析中的发光试剂和共反应试剂这两大关键要素开展了创新性的研究。针对ECL生物分析中，存在对共反应试剂严重依赖、共反应试剂反应活性低的难题，本项目提出提出“共反应促进剂（coreaction accelerator）”的新概念，即在含有“发光试剂+共反应试剂”的ECL二元体系中引入第三种物质，使之与共反应试剂相互作用以增加单位时间内电化学反应产生的共反应试剂自由基，进而通过自由基与ECL分子中间态之间的相互作用增强ECL， 提出了构建高效的“发光试剂+共反应试剂+共反应促进剂”ECL三元的新思想。在CdTe量子点/S2O82-体系中，我们首次以氨基脲作为共反应促进剂，将CdTe /S2O82-体系的发光强度提高了近70%，充分证明了共反应促进剂能显著提高ECL反应效率，进而增强ECL信号，有效提高分析灵敏度（代表论文Anal. Chem.,2015, 87, 11389）。该工作突破了沿用近35年的ECL二元体系，通过三元体系的创新策略，解决了ECL反应效率低、ECL信号弱、稳定性差的不足。. 在此基础上，我们分别考察了以赖氨酸、苯胺、银离子、铂纳米颗粒、TiO2纳米颗粒为共反应促进剂对量子点、苝四甲酸、红荧烯、Ru(bpy)32+等发光试剂ECL响应性能的影响。建立了多种高效的ECL三元新体系，并系统研究了共反应促进剂的作用机制并证明共反应促进剂具有极强的普适性，可显著提高ECL反应效率。该研究不仅显著增强了ECL反应效率，提高了电化学发光强度和稳定性，而且突破了传统Ru(bpy)32+类和鲁米诺类电化学发光试剂的主导地位，建立了以金属纳米簇、金属氧化物纳米簇和有机纳米晶等纳米材料为新型ECL试剂的高灵敏电化学发光分析平台。该系列研究成果引起了同行广泛关注，并被同行采纳并进一步研究报道。到目前为止，国内外其他课题组发表的以共反应促进剂构建ECL三元新体系的相关研究论文已达28篇，展现出ECL三元新体系具有增强ECL反应效率、提高分析灵敏度的重要应用潜力。