二氧化硅纳米颗粒表面原位还原银纳米簇电化学发光传感界面的构建与分子识别

doi:10.7503/cjcu20210392

摘要/Abstract

摘要：

通过牛血清蛋白(BSA)对二氧化硅纳米颗粒(SiO₂ NPs)表面进行氨基、巯基功能化, 随后以BSA同时作为模板和还原剂, 原位生成银纳米簇(Ag NCs), 获得显著增强阴极电化学发光(ECL)信号的Ag NCs-SiO₂ NPs复合纳米材料. 结果表明, 当测试溶液中含有L-半胱氨酸(L-Cys)时, 其与传感界面上的Ag NCs发生共价结合作用, 从而猝灭其ECL信号. 基于该原理, 构建了“开-关”型ECL信号响应模式的L-Cys生物传感器. 该传感器检测L-Cys的浓度范围为50 nmol/L~50 μmol/L, 最低检测限达到13.7 nmol/L, 能够实现L-Cys的高灵敏及特异性分析, 有望在生物、医学等领域得到广泛应用.

关键词: 电化学发光, 银纳米簇, 二氧化硅纳米颗粒, 生物传感器, L-半胱氨酸

Abstract:

A highly sensitive L-Cys（L-cysteine） biosensor was constructed via silver nanoclusters loaded on the surface of silica nanoparticles（Ag NCs-SiO₂ NPs） as an electrochemiluminescence（ECL） nanocomposite modified on the surface of glassy carbon electrode. The surface of silica nanoparticles（SiO₂ NPs） was functio-nalized with amino and sulfhydryl groups by bovine serum protein（BSA）， and then silver nanoclusters （Ag NCs） were in situ reduced on the surface of SiO₂ NPs by using BSA as a template and a reducing agent， which realized the stable load of silver nanoclusters. The Ag NCs-SiO₂ NPs electrochemiluminescence nanocomposites with the enhanced cathodic ECL signal were successfully obtained. With the existence of L-Cys in the solution， it covalently binds to Ag NCs forming Ag—S bond and quenching the ECL signal. Based on the above principle， a biosensor with the on-off signal response mode is constructed for the detection of L-Cys. The concentration range of L-Cys detected by the biosensor is 50 nmol/L—50 μmol/L. At the same time， the detection limit is 13.7 nmol/L， which can realize the sensitivity and specificity analysis of L-Cys. The biosensor constructed above is expected to be extensively applied in biological， medical and other fields.

Key words: Electrochemiluminescence, Silver nanoclusters, Silica nanoparticles, Biosensor, L-Cysteine

中图分类号:

O657

TrendMD:

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图/表 7

Scheme 1 Preparation process of Ag NCs?SiO2 NPs

Fig.1 SEM images of SiO2 NPs(A), magnified TEM images of Ag NCs?SiO2 NPs(B), HRTEM image of Ag NCs?SiO2 NPs(C), STEM?HAADF image of SiO2 NPs?Ag NCs and STEM?EDX element mappings(inset) of Ag and Si, respectively(D)

Fig.2 UV?Vis absorption spectra of SiO2 NPs(a), BSA(b) and Ag NCs?SiO2 NPs(c)(A), normalized FL excitation spectrum(a) and emission spectrum(b) of Ag NCs?SiO2 NPs(B), normalized ECL emission spectra of Ag NCs?SiO2 NPs/S2O82 -(a), SiO2 NPs/S2O82 -(b) and S2O82 -(c)(C)

Fig.3 ECL?potential curves of bare GCE(a), SiO2 NPs/GCE(b) in the presence of S2O82 - and Ag NCs?SiO2 NPs/GCE in the absence(c) and presence(d) of S2O82 - in 0.1 mol/L PBS(A), cyclic voltammograms of Ag NCs?SiO2 NPs/GCE in the absence(a) and presence(b) of S2O82 - in 0.1 mol/L PBS(B)

Fig.4 Effects of AgNO3 solution concentration(A) and scan rate(B) on ECL signalInset of (A) is the relationship between AgNO3 solution concentration and ECL signal of Ag NCs?SiO2 NPs; inset of (B) is the relationship between scan rate and ECL signal of Ag NCs?SiO2 NPs.

Fig.5 ECL signals of the biosensor with different concentrations of L?Cys in 10 mmol/L S2O82 - solution(pH=7.4)(A), calibration plot for L?Cys detection(B), the stability of the biosensor(C) and the selectivity of the biosensor(D)(A) L?Cys concentration, a—f: 50 nmol/L, 100 nmol/L, 500 nmol/L, 1 μmol/L, 10 μmol/L, 50 μmol/L.

Table 1 Comparison of different methods for the detection of L-Cys

Method	Linear range/（μmol·L^-1）	LOD/（nmol·L^-1）	Ref.
FL	0—100	212	［4］
FL	0.3—12	40	［20］
Amperometry	1—1000	70	［21］
Chemiluminescence	0.075—62.5	68	［22］
Differential pulse voltammetry	7.5—1000	1100	［23］
UV?Vis diffusive reflectance	1—1750	870	［24］
Photoelectrochemistry	0.1—6	40	［25］
ECL	0.05—50	14	This work

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