化学发光（Chemiluminescence,CL）是化学反应过程中的一种光辐射现象。溶液相中的化学发光反应大多是基于氧化还原反应。在化学反应过程中,产物从反应中获得能量,从基态跃迁到激发态,分子从激发态回到基态的过程中以光子的形式释放能量,即化学发光。化学发光分析法是一种分子发光光谱分析方法,主要是基于待测化合物的浓度与在一定条件下的CL强度之间的线性关系进行定量分析。常见的化学发光分析体系有过氧草酸酯化学发光（Peroxyoxalate Chemiluminescence,PO-CL）体系、光泽精（Lucigenin）化学发光体系、联吡啶钌电致化学发光体系、鲁米诺（Luminol）化学发光体系等。其中,鲁米诺化学发光体系是最常用的一种化学发光体系,已被广泛应用于药物分析、环境分析和生物分析等领域测定不同的目标分析物,包括金属离子、葡萄糖、维生素、蛋白质、核酸、环境污染物等。然而,在碱性条件下,鲁米诺的自身化学发光反应强度非常弱。因此,发展有效的催化剂和增强剂对新型发光体系的发展及应用具有重要意义。鲁米诺体系常见的催化剂包括金属离子、天然酶、纳米材料等。而增强剂则主要用于过氧化物酶（如辣根过氧化物酶,HRP）催化的鲁米诺-过氧化氢体系。增强剂的种类十分广泛,最初报道的增强剂包括荧光素、取代酚衍生物、洛酚碱衍生物和六羟基苯并噻唑,后来又发现了其它增强剂,如芳香胺、取代硼酸、水溶性大分子和表面活性剂等。其中,对碘苯酚（p-Iodophenol,PIP）是luminol-H₂O₂-HRP CL系统中最常用的增强剂。目前所有增强剂的研究都局限于天然酶催化的鲁米诺化学发光体系。那么,这些常见的增强剂是否能应用于纳米过氧化物模拟酶催化的鲁米诺化学发光体系呢?本论文就此问题进行了探讨。近年来,由于其表面积大、量子尺寸效应和独特的光学效应,新型纳米材料在各种研究领域都有着广泛的应用。在化学发光领域,多种纳米材料均被报道具有化学发光催化活性。例如,在2005年,崔华课题组首次报道了金纳米微粒（Gold nanoparticles,Au NPs）在luminol-H₂O₂化学发光反应中的催化活性,并将其应用于有机化合物的检测。然而,纳米材料催化的化学发光体系仍然存在一些缺点。一方面,几乎所有报道的纳米材料催化的鲁米诺化学发光体系都是闪光型的化学发光,需要与流动注射系统耦合;另一方面,纳米材料的催化活性低,催化所产生的化学发光强度弱,从而限制了其在临床分析（尤其是早期疾病诊断）中的应用。针对以上问题,本论文以金纳米微粒催化的鲁米诺化学发光体系为研究对象,提出将用于酶催化体系的增强剂应用于金纳米微粒催化的鲁米诺化学发光反应中,详述如下。PIP是luminol-H₂O₂-HRP CL反应中应用最为普遍的增强剂,其增强作用早在1988年就已被报道。首先,我们考察了PIP对luminol-H₂O₂-Au NPs化学发光体系的影响,当将1.25 mM PIP加入到反应体系中,能观察到强且缓慢的辉光型化学发光。在对PIP增强的luminol-H₂O₂-Au NPs化学发光体系进行条件优化时,我们意外发现空白和信号随过氧化氢浓度的增加同时增强,但在不加过氧化氢时体系的信噪比达到最高。当不加过氧化氢时,体系中无额外的氧化剂,我们推测所产生的化学发光信号可能与溶解氧有关。为了验证这个假设,我们进行了脱气实验。将所有反应溶液鼓N₂ 30分钟后进行测定,其化学发光强度被抑制了约98%,表明溶解氧在此体系中起关键作用。基于此,论文建立了PIP增强的luminol-O₂-Au NPs CL体系。我们考察了苯酚（Phenol,P）,对氯苯酚（p-Chlorophenol,PCP）,对溴苯酚（p-Bromophenol,PBP）,对碘苯酚（p-Iodophenol,PIP）,对氨基苯酚（p-Aminophenol,PAP）,苯胺（Aniline,AN）,对氯苯胺（p-Chloroaniline,PCAN）,对溴苯胺（p-Bromoaniline,PBAN）和对碘苯胺（p-Iodoaniline,PIAN）这9种化合物对luminol-O₂-Au NPs CL系统的增强效应。结果显示,在这些化合物中PIP和PIAN具有CL增强作用。当加入1.25 mM PIP时,体系化学发光强度增强了29倍,在1.25 mM PIAN存在下,则观察到11倍增强的CL信号,其他化合物包括P、PCP、PBP、PAP、AN、PCAN和PBAN对luminol-O₂-Au NPs CL反应没有增强作用。在这9种化合物中PIP显示了最佳的增强效果,因此我们随后研究了PIP异构体包括邻碘苯酚（Ortho iodophenol,OIP）和间碘苯酚（Meta iodophenol,MIP）对luminol-O₂-Au NPs CL系统的增强效应。这三种碘酚衍生物均具有增强作用,其增强作用排序为PIP>OIP>MIP。由于PIP表现出最强的增强效应,本课题选择PIP为增强剂,建立了PIP增强的luminol-O₂-Au NPs CL系统。我们对此体系的实验条件进行了优化,优化的luminol浓度为5 mM,PIP浓度为20 mM,NaOH（鲁米诺稀释溶液）的浓度为1 M。在以上优化的实验条件下,我们考察了金纳米微粒的粒径对PIP增强的鲁米诺化学发光体系的影响。我们制备了4种粒径的金纳米微粒（4 nm,15 nm,25 nm和40 nm）,并使用紫外可见分光光度计,马尔文粒度分析仪和透射电子显微镜对其进行了表征。在最佳实验条件下,我们测定了这4种金纳米微粒在PIP增强的鲁米诺化学体系中的化学发光强度。结果显示,这4种金纳米微粒均具有催化活性。对于4 nm金纳米微粒,金纳米微粒浓度在0.15-20 nM范围内催化产生的化学发光强度呈线性上升。对于15 nm、25 nm和40 nm金纳米微粒,此线性范围分别为0.04-0.8 nM、0.004-0.5 nM和0.006-0.1 nM。除此之外,我们也计算了可以触发此体系的最低金纳米微粒浓度,对于4 nm、15 nm、25 nm和40 nm的金纳米微粒,最低浓度分别为0.16 nM、2.6 pM、0.78 pM和0.98 pM。由于较大的金纳米微粒的表面有更多的金原子数,因此,我们根据文献方法计算了这4种金纳米微粒表面的金原子数量。4 nm、15 nm、25 nm和40 nm金纳米微粒的表面金原子数量分别为5.76×10¹⁶,1.90×10¹⁶,1.08×10¹⁶和0.46×10¹⁶个。基于此,我们在保持相同表面金原子数目的条件下,比较了这4种金纳米微粒在PIP增强的化学发光系统中的催化作用,发现直径为25 nm的金纳米微粒具有最高的化学发光催化活性,而40 nm的金纳米微粒的催化活性最低。痕量金属离子是鲁米诺化学发光反应的主要干扰物。在最佳实验条件下,我们研究了PIP增强luminol-O₂-Au NPs CL系统的选择性。首先考察了Ca²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Li⁺、Cu²⁺、Mg²⁺、Co²⁺、Ba²⁺、Ni²⁺、Cr³⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Ce⁴⁺、Ag⁺、Mn²⁺、Fe²⁺等常见金属离子的影响。当反应体系中不含有EDTA时,对Ca²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Li⁺、Cu²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺、Ni²⁺、Cr³⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Ce⁴⁺、Mn²⁺、Fe²⁺离子的耐受浓度为0.5μM,对Co²⁺和Ag⁺离子的耐受浓度为0.1μM。当体系中含有0.67 mM EDTA时,对Ca²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺离子的耐受浓度为1 mM,对Li⁺、Cu²⁺、Mg²⁺、Co²⁺、Ba²⁺、Ni²⁺、Cr³⁺、Fe³⁺、Al³⁺离子的耐受浓度为0.1 mM,对Ce⁴⁺离子的耐受浓度为10μM,对Ag⁺、Mn²⁺、Fe²⁺离子的耐受浓度为1μM。结果表明在体系中加入EDTA有利于减少外来金属物质的干扰。之后,我们探索了PIP增强luminol-O₂-Au NPs CL体系的机理。为了确定此体系中的发光体,我们用一系列截止波长为320、350、360、400、425、440、460、490、535、555和575 nm的滤光片记录了4种金纳米微粒催化产生的CL光谱,结果表明所有情况下的最大发射波长都位于425 nm,表明所有CL体系的发光体都是激发态3-氨基邻苯二甲酸盐阴离子（3-aminophthalate*,3-APA*）。为了考察此化学发光体系中涉及的含氧自由基,我们将甲醇和甘露醇（作为羟基自由基清除剂）、叠氮化钠和组氨酸（作为单线态氧淬灭剂）、SOD（作为超氧阴离子清除剂）和抗坏血酸（作为广谱的含氧自由基清除剂）添加到反应溶液中,测定了这些活性氧自由基清除剂对体系化学发光信号的抑制作用。结果表明,当加入0.1 M叠氮化钠和5 mM组氨酸时,CL信号分别抑制约71%和91%;当向反应溶液中加入10 U SOD时,CL强度淬灭约40%;当向反应体系中加入5%甘露醇和5%甲醇时,CL强度几乎保持不变。以上结果表明:·OH不参与PIP增强的luminol-O₂-Au NPs CL反应,而O₂·^-和¹O₂在PIP增强的化学发光反应中发挥重要作用。分散的Au NPs溶液呈红色,其在518 nm处具有特征性表面等离子体共振（Surface plasma resonance,SPR）吸收峰。在PIP存在下,金纳米微粒的SPR吸收峰急剧下降,表明金纳米微粒发生了聚集。我们推测PIP可能与金纳米微粒表面发生相互作用,取代其表面负电荷的柠檬酸根使其表面电荷减少,导致金纳米微粒聚集。在CL实验中,PIP、OIP、MIP和PIAN显示出增强效应,而其他化合物对luminol-O₂-Au NPs CL系统没有影响。为了确认增强效应与Au NPs表面相互作用有关,我们测定了金纳微粒与不同增强剂反应后的紫外可见吸收光谱。当Au NPs与P,PCP,PBP,AN,PCAN和PBAN混合后,Au NPs的SPR吸收峰几乎保持不变。而在OIP,MIP,PIAN和PAP存在的情况下,Au NPs的SPR峰降低,金纳米微粒溶液的颜色从酒红色变为蓝色。从以上观察,我们推测,增强剂通过与金表面作用并附着于金纳米微粒表面,是其对luminol-O₂-Au NPs CL系统增强作用的必要条件之一。但是,在这4种能引起金纳米微粒变色的化合物中,PAP是一个例外,PAP能与金纳米微粒表面反应导致其聚集变色,但却对luminol-O₂-Au NPs CL系统没有影响。观察这4种化合物的结构,我们发现所有对luminol-O₂-Au NPs CL系统有增强作用的化合物都是碘苯衍生物。因此,我们推测luminol-O₂-Au NPs CL系统增强的化学发光信号可能源于碘苯衍生物与金纳米微粒表面的相互作用。综上,我们提出了PIP增强luminol-O₂-Au NPs CL反应的可能机理。首先PIP与金纳米微粒相互作用,取代Au NPs表面的柠檬酸根,形成PIP取代的Au NPs,所形成的PIP取代的Au NPs可以促进溶解氧产生O₂·^-自由基,所形成的O₂·^-自由基在水溶液中不稳定,能迅速转化为¹O₂和H₂O₂。最后,¹O₂,O₂·^-自由基和H₂O₂与鲁米诺反应生成3-APA*。当3-APA*回到基态时,能观察到增强的CL信号。以上机理研究表明,PIP与金纳米微粒表面的作用是其增强作用的必要条件之一。一些含氨基、羟基、巯基的化合物能与金纳米微粒表面作用,从而抑制PIP增强的化学发光信号。基于此,我们建立的PIP增强的luminol-O₂-Au NPs化学发光体系能应用于这些化合物的检测。我们探究了20种氨基酸对此体系的影响,发现四种氨基酸（半胱氨酸Cys,甲硫氨酸Met,精氨酸Arg和组氨酸His）能明显抑制PIP增强的luminol-O₂-Au NPs体系的CL强度。His为单线态氧清除剂,而其他三种氨基酸分别含巯基和胍基。我们推测巯基和胍基与金纳米微粒有很强的结合能力,从而抑制了PIP在金表面的作用,导致其增强的化学发光信号降低。为了验证我们的假设,在优化的条件下,我们测试了其他五种有机化合物,包括巯基苯硼酸（4-mercaptophenylboronic acid,MPBA）,1,4-苯二硼酸（1,4-benzenediboronic acid,BDBA）,巯基β环糊精（Mercapto-β-cyclodextrin,β-CD-SH）,β环糊精（β-Cyclodextrin,β-CD）和氨基胍（Aminoguanidine hydrochloride,AG）对此CL体系的影响。MPBA和β-CD-SH都是含巯基的化合物,AG是含胍基的化合物,BDBA和β-CD为阴性对照。与预期相同,0.1 mM的MPBA,β-CD-SH和AG显著抑制CL信号,而相同浓度的BDBA和β-CD对体系的信号无影响。结果表明,所建立的PIP增强的luminol-O₂-Au NPs CL体系可用于含巯基和胍基的有机化合物的测定。最后,我们考察了将此体系应用于化学发光免疫分析（Chemiluminescence immunoassay,CLIA）中的可行性。在免疫反应中,金纳米微粒表面将标记抗体,并且剩余位点将采用牛血清白蛋白进行封闭,不利于PIP与金表面的作用,无法产生增强的化学发光信号。针对此问题,我们建立了基于羟胺还原的对碘苯酚增强的化学发光免疫分析法,用于检测兔IgG。在夹心免疫反应结束后,使用羟胺还原法将金离子还原成金原子,使其沉积于金纳米微粒表面,形成新鲜的金表面,为PIP提供活性反应位点,从而实现兔IgG的化学发光定量分析。我们优化了免疫分析的实验条件,包括NaOH、PIP、luminol、HAuCl₄、NH₂OH、Au NPs标记的二抗的浓度和染色时间T_R。在最佳实验条件下,测定兔IgG的线性范围为0.5-50 ng mL^-1,检测限为0.4 ng mL^-1,选择性良好,测定血清样品中兔IgG的回收率范围为88.6%-85.4%。从分析化学的角度来看,联用羟胺还原法和PIP增强的luminol-O₂-Au NPs CL体系所建立的化学发光免疫分析方法能很容易拓宽至其他蛋白质的定量分析。除此之外,采用核酸适体为识别分子,此方法也能拓宽至细胞因子、生物活性小分子,甚至是细胞等的检测。