Anal. Chem.：电化学发光增强型的钪掺杂金纳米团簇用于尿中阿尔茨海默氏症生物标志物的超灵敏检测

背景介绍：

电化学发光（Electrochemiluminescence， ECL）是由电极表面发光团的电化学氧化还原反应驱动的，具有背景噪声低、灵敏度高、操作简单等优点，在生命分析领域具有重要的应用价值。降低触发电位和提高发光效率是改进ECL系统持续研究的重点。典型的ECL系统，如Ru(bpy) 32 +/三丙胺（TPA），需要高的正ECL电位（通常在1.2 V左右）来产生强的ECL信号。然而，这种高电位可能会引起电化学干扰的问题，甚至影响生物传感器的抗体、核酸和小生物分子的生物活性。相比之下，低触发电位ECL系统通过在大多数干扰的氧化阈值以下工作来减轻这种干扰因此，探索一种由低电位触发的新型高效ECL系统来克服这些问题仍然是扩大ECL在生物检测中的实际应用的关键目标。

近日，厦门大学附属第一医院洪国粦教授和福州大学林振宇教授等报道了一种基于钪掺金纳米团簇（Sc@AuNC）和N，N-二异丙基乙胺（DIPEA）的新型ECL系统，用于尿液阿尔茨海默病相关神经元线蛋白（AD7c-NTP）的超灵敏检测。相关成果以“A Scandium-Doped Gold Nanocluster with Enhanced Electrochemi-luminescence Triggered by Low Potentials for Ultrasensitive Detec-tion of an Alzheimer’s Biomarker in Urine”为题，发表在国际化学权威杂志Analytical Chemistry上（DOI: 10.1021/acs.analchem.5c04465），第一作者为厦门大学附属第一医院苏灿平，厦门大学附属第一医院何洪彰和泉州医学院曾琪为共同一作。

研究内容主要介绍：

金纳米团簇（AuNC）作为一种新兴的ECL发光团簇，由于其量子约束效应、可调谐的能级结构和独特的光电化学性质，在生物传感和成像分析方面具有独特的优势。然而，基于AuNC的ECL系统相对较低的ECL量子产率（ΦECL）极大地限制了它们在高灵敏度检测中的应用。稀土钪（Sc）的特征是长寿命的激发态、大的斯托克斯位移和窄的发射带。这些特性使Sc成为高效的能量受体和理想的致敏剂，使其有望成为构建高效发光系统的候选者。受此启发，将Sc集成到AuNC （Sc@AuNC）被提出，为构建高效ECL系统提供了一种协同的方法，为先进的发光技术提供了新的途径。构建Sc@AuNC/N，N-二异丙基乙胺（DIPEA）二元ECL系统，在较低触发电位（0.75 V）下实现更高的ΦECL。

如图1A所示，与经典系统AuNC/TEA在1.2 V时的峰值电位相比，AuNC/DIPEA系统在0.7 V时实现了最优ECL信号，电位前移0.5 V。这可以归因于DIPEA的低氧化电位。而AuNC/DIPEA体系则表现出较低的ECL强度。为了解决这个问题，Sc与AuNC掺杂形成了Sc@AuNC。与AuNC/DIPEA系统相比，Sc@AuNC/DIPEA系统的ECL性能显著提高，但电势仅增加了0.05 V，信号强度更高。这一调整结合了激活电位较低和灵敏度较高的优点。根据上述发现，我们对三种ECL系统的信号强度进行了比较分析，重点放在0 - 0.8 V的电位范围内 (图1 B)。由于TEA具有较高的氧化电位，AuNC/TEA发出的ECL信号非常微弱，阻碍了其在较低电位下充分激活ECL的能力。该系统的ΦECL确定为12.48%，计算细节在支持信息部分提供。相反，由于DIPEA的易氧化性质，AuNC/DIPEA ECL系统的ΦECL显著增强，这归因于在低氧化电位下快速生成自由基。与经典ECL系统AuNC/TEA的峰值信号相比，AuNC/DIPEA系统实现了更高的ECL强度，提高了18.13倍。特别是，Sc@AuNC与DIPEA的结合显示出显著更高的ECL强度和ΦECL，突出了Sc离子掺杂策略在提高ECL性能方面的有效性。最后，Sc@AuNC/DIPEA系统的ECL强度和ΦECL分别是AuNC/TEA系统的40.89倍和2.82倍。值得注意的是，Sc@AuNC/DIPEA系统的ΦECL值达到了35.19%的高值（图1C），表明了这种方法在ECL应用中的优越潜力。

图一. (A) AuNC/TEA, AuNC/DIPEA， Sc@AuNC/DIPEA体系在含有200 mM共反应物（最终pH 11）的100 mM PBS中，电位在0和1.5 V之间循环的ECL曲线。AuNC/TEA, AuNC/DIPEA， Sc@AuNC/DIPEA体系的ECL信号(B)和ΦECL (C)在含有200 mM共反应物（最终pH 11）的100 mM PBS中，电位循环在0和0.8 V之间。(D) AuNC和Sc@AuNC的UPS光谱。(E) AuNC/TEA, AuNC/DIPEA， Sc@AuNC/DIPEA系统可能的ECL机制的图解描述。

（来源：Analytical Chemistry）

随后，我们进一步研究了Sc@AuNC/DIPEA ECL系统的作用机制。紫外光电子能谱（UPS）测量显示，相对于原始AuNC (4.27 eV), Sc@AuNC （3.69 eV）的功函数降低（图1D），这是从二次电子截止点计算得到的。这0.58 eV的降低与观察到的Au 4f负移一致，证实了Sc掺杂剂增强的电子捐赠电子注入势垒的降低提高了ECL产生过程中的电荷传递效率。Sc@AuNC/DIPEA系统的可能的ECL机制（图1E），与可以通过应用方程(1)-(5)来阐明8,9最初，DIPEA经历氧化反应，它提供电子，导致自由基阳离子DIPEA•+的形成（公式1）。然后，自由基阳离子进一步失去一个质子（公式2）。此外，Sc的掺杂可以促进反应产生更多的DIPEA•。Sc@AuNC失去电子产生Sc@AuNC•+（式3），与DIPEA•反应产生激发Sc@AuNC*（式4），然后发射（式5）。

图二. ‎电化学发光免疫分析平台.

（来源：Analytical Chemistry）

小结

综上所述，Sc的引入改变了AuNC的电子-电子结构，降低了功函数，提高了电子传递效率，从而加速了共反应物中自由基的生成。与传统的AuNC/TEA ECL系统相比，以DIPEA为共反应物，Sc@AuNC为ECL探针，实现了具有高ΦECL ECL的高ECL系统。得益于其出色的ECL性能，ECLIA平台已被开发用于检测AD尿液生物标志物AD7c-NTP，显示出出色的敏感性和特异性。该平台在实际样品中的应用取得了满意的结果。该平台具有广泛、无创的AD人群筛查潜力，具有良好的可重复性和稳定性。Sc@AuNC/DIPEA系统的低触发电位不仅提高了ECL效率，而且从根本上减少了复杂生物基质的干扰，使其非常适合临床应用。本研究不仅提出了一种新的共反应物加速策略，为下一代ECL传感平台的开发开创了先例，而且建立了一种高效灵敏的检测方法，为大规模早期筛查AD带来了希望。

（来源：Analytical Chemistry）