利用在纳米通道中组装的表面活性剂胶束实现三重富集，这些胶束分别用于装载发射剂、共反应物和分析物，从而实现莫林（morin）的高灵敏度电化学发光检测

《Microchemical Journal》：Triple enrichment using surfactant micelles assembled in nanochannels for emitter, co-reactant, and analyte for high-sensitivity electrochemiluminescence detection of morin

　　

Jiahui Lin|Yujie Gao|Fengna Xi

浙江科技大学化学与化学工程学院，中国杭州310018

摘要

提高电化学发光（ECL）发射体和共反应物在电极界面的微浓度是增强ECL信号的有效策略，而分析物富集进一步提高了检测灵敏度。在这项工作中，开发了一种硬-软有机-无机杂化界面，该界面结合了二氧化硅纳米通道和表面活性剂胶束（SM），实现了发射体（鲁米诺）、共反应物（溶解氧-DO）和分析物（抗氧化剂莫林，Mor）的三重富集，从而显著增强了ECL信号并实现了高灵敏度检测。通过简单的电化学辅助自组装（EASA）方法，在廉价且易于获得的氧化铟锡（ITO）电极上制备了嵌入溴化鲸蜡基三甲铵（CTAB）胶束的垂直有序介孔二氧化硅薄膜（VMSF）。胶束有效地浓缩了鲁米诺和DO，使得鲁米诺/DO系统的ECL信号显著增强。由于胶束在VMSF纳米通道内的限制，传感器表现出显著的抗干扰能力。结合增强的ECL和SM介导的分析物富集，实现了莫林的灵敏检测。在最佳条件下，莫林的检测范围为1 pg/mL至1 μg/mL，检测限低至0.18 pg/mL。这项工作不仅提供了一种增强鲁米诺/DO系统ECL的有效策略，还为复杂样品中的痕量分析开发高性能ECL传感器引入了一种新方法。

引言

电化学发光（ECL）分析由于其低背景噪声、易于使用、宽动态范围以及对时空参数的良好控制，在生物传感[1]、[2]、[3]、环境监测[4]、[5]、食品安全[6]和临床诊断[7]、[8]、[9]中成为了一种强大的工具。在各种ECL系统中，鲁米诺因其易获取性和温和的反应条件而受到广泛关注[11]、[12]。在典型的基于鲁米诺的阳极ECL中，鲁米诺在碱性介质中被离子化生成鲁米诺阴离子，然后在电极表面发生电化学氧化，形成不稳定的过氧化物中间体[13]、[14]。这种中间体分解产生激发的3-氨基邻苯二甲酸根离子，当其返回基态时发射光子，产生约425 nm处的ECL[15]、[16]。由于ECL效率较低，需要添加强氧化剂（通常是H?O?）作为共反应物来生成活性氧物种（ROS）以增强信号[17]、[18]、[19]。然而，H?O?的不稳定性及其在复杂介质中可能引起的副反应限制了其广泛应用[20]、[21]。相比之下，使用溶解氧（DO）作为共反应物具有明显优势[22]、[23]，因为它在电解质溶液中普遍存在且是内源性的，消除了对外源性共反应物的需求，并且其天然存在为原位、实时甚至体内分析提供了巨大潜力。因此，鲁米诺-DO系统为开发环保、简单且适应性强的ECL传感器平台提供了一种新方法。

尽管有这些优势，但使用鲁米诺-DO系统实现高灵敏度ECL检测仍然是一个挑战，因为ECL强度强烈依赖于电极界面处鲁米诺和DO的局部浓度及其反应效率。为了解决这个问题，已经开发了多种策略来增强ECL信号。一种方法是在电极界面引入纳米催化剂（例如，贵金属纳米颗粒[24]、[25]、碳基纳米材料[26]、[27]、金属氧化物[28]）。这些催化剂可以显著加速溶解氧的还原或活性氧物种的生成，从而增强鲁米诺的氧化过程并提高ECL强度。然而，这些催化策略通常依赖于纳米材料的内在活性，其增强效果可能受到催化剂组成、形态和界面电子转移效率等因素的限制。更重要的是，在复杂的生物或环境样品中，催化活性位点容易受到基质中杂质的污染或毒害，导致信号不稳定和重复性降低，从而限制了它们在直接和快速分析中的应用[29]。另一种有效的策略是物理或化学富集电极表面的微反应区域中的发射体和共反应物[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。通过显著增加局部浓度，这种方法可以驱动反应并放大信号。与依赖内在活性的催化策略不同，浓度驱动的富集策略不需要电极界面具有高催化活性。相反，它强调高效捕获和限制发射体和共反应物，为稳定和高灵敏度的ECL检测提供了一条有前景的新途径。

近年来，垂直有序介孔二氧化硅薄膜（VMSF）因其富集和限制效率而受到广泛关注[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。VMSF通常使用电化学辅助自组装（EASA）[40]、[41]、[42]、[43]或St?ber溶胶-凝胶合成[44]、[45]等方法制备。具体来说，EASA利用电场在电极表面创建pH梯度，快速（例如几秒钟内）形成VMSF，驱动表面活性剂胶束和硅氧烷前体的定向共组装，从而实现介孔通道的垂直生长。另一方面，经典的St?ber方法涉及在温和的碱性条件（例如氨-乙醇）下，围绕表面活性剂胶束模板水解和缩合二氧化硅前体（例如四乙基正硅酸盐），形成高度有序、垂直排列的介孔结构，孔径约为2–3 nm。在这两种方法中，刚性的无机二氧化硅框架作为硬模板，为介孔内的软表面活性剂胶束结构提供稳定支撑。通过将溴化鲸蜡基三甲铵（CTAB）等表面活性剂胶束保留在介孔中，形成了独特的有机-无机杂化界面[46]。表面活性剂尾基团创建的疏水微环境非常有效地富集疏水或两亲分子，同时溶解有机分子并稳定反应中间体[47]。此外，VMSF-胶束结构有效防止了大分子或蛋白质的干扰，使其非常适合直接分析复杂样品[48]。因此，由表面活性剂胶束在纳米通道中组装形成的独特有机-无机杂化界面在浓度驱动的富集方面具有巨大潜力。

在这项工作中，首先使用结合了表面活性剂胶束的二氧化硅介孔来同时富集发射体和共反应物，从而增强了ECL。通过胶束富集分析物，实现了抗氧化剂莫林（Mor）的高灵敏度检测。使用EASA方法在廉价的透明ITO电极上成功制备了填充有表面活性剂胶束（SM）的垂直有序介孔二氧化硅薄膜（VMSF）。VMSF内的表面活性剂胶束有效地共同富集了鲁米诺分子和溶解氧，在电极界面创建了高浓度的微反应环境，显著增强了鲁米诺-DO系统的ECL信号。这种增强的ECL平台结合了基于SM的分析物富集，用于抗氧化剂莫林的高灵敏度检测。胶束在纳米通道内的限制有效地排除了大分子，并最小化了溶液中外源性共反应物的干扰，为开发高性能、抗干扰的ECL传感器界面提供了一种新策略。

章节摘录

化学和材料

四乙基正硅酸盐（TEOS，99%），溴化鲸蜡基三甲铵（CTAB），K?[Fe(CN)?]，K?[Fe(CN)?]，[Ru(NH?)?]Cl?，NaH?PO?·2H?O，Na?HPO?·12H?O，氨水（28%），醋酸钠（NaAc），醋酸（HAc，99%），NaOH，鲁米诺，莫林（Mor，95%），叔丁醇（TBA），对苯醌（BQ），异丙醇（IPA），过氧化氢酶（CAT），D-组氨酸，牛血清白蛋白（BSA），NaCl，葡萄糖（Glu），尿酸（UA），抗坏血酸（AA），槲皮素（Qu）和淀粉均从Aladdin购买

图1A展示了在ITO电极上生长的SM@VMSF的示意图制备方法。选择ITO电极作为支撑电极，因为它具有优异的透明度、良好的导电性和电化学稳定性以及低成本。SM@VMSF是使用EASA方法制备的。具体来说，在含有表面活性剂模板CTAB和硅氧烷前体TEOS的溶液中，带正电的CTAB胶束吸附在带负电的ITO表面上。然后施加阴极电位

结论

总之，这项工作提出了第一个基于胶束的三重富集效应的ECL检测平台，用于ECL发光体、共反应物和目标分析物。使用简单的EASA方法，将表面活性剂胶束修饰的垂直有序介孔二氧化硅薄膜（SM@VMSF/ITO）功能化到成本效益高且易于获得的ITO电极上。这种修饰使得脂溶性抗氧化剂莫林的检测具有高灵敏度和选择性。结果表明，VMSF中的胶束

Jiahui Lin：撰写 – 原始草稿，研究，数据管理。Yujie Gao：撰写 – 原始草稿，研究，数据管理。Fengna Xi：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，概念化。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

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