電致化學(xué)發(fā)光體系中共反應(yīng)促進劑的研究及應(yīng)用進展

摘要 電致化學(xué)發(fā)光（Electrochemiluminescence， ECL）是指物質(zhì)在電極表面發(fā)生的氧化還原反應(yīng)并通過中間產(chǎn)物之間的高能電子轉(zhuǎn)移引起的發(fā)光現(xiàn)象。在共反應(yīng)劑參與的ECL 過程中，共反應(yīng)促進劑能有效催化共反應(yīng)劑分解并生成豐富的自由基中間體，顯著增強ECL 信號，對于構(gòu)建簡單、靈敏和高效的ECL 傳感平臺具有重要作用。本文聚焦于近年來開發(fā)的新型ECL 共反應(yīng)促進劑，根據(jù)不同類型的共反應(yīng)促進劑材料，包括單原子催化劑、金屬基納米材料、聚合物及其它種類型材料，分別闡述了ECL 反應(yīng)過程和信號增強機理及其在構(gòu)建ECL 傳感平臺中的相關(guān)研究及應(yīng)用進展，對目前共反應(yīng)促進劑的研究難點進行了總結(jié)，并對其未來的發(fā)展前景進行了展望。

關(guān)鍵詞 電致化學(xué)發(fā)光；共反應(yīng)促進劑；活性自由基；信號增強；評述

電致化學(xué)發(fā)光（Electrochemiluminescence， ECL）是指經(jīng)電極表面氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的活性物質(zhì)通過高能電子轉(zhuǎn)移后形成激發(fā)態(tài)，繼而將能量以光輻射的形式發(fā)射出去的過程[1]。ECL 技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種強大的分析技術(shù)，廣泛應(yīng)用于疾病標志物的檢測、食品安全、環(huán)境污染、醫(yī)學(xué)診療和免疫分析等領(lǐng)域[2-7]。20 世紀60 年代， Hercules[8]首次提出ECL 理論，自此，研究者對ECL 的理論和傳感技術(shù)進行了深入探索，開發(fā)了豐富的ECL 發(fā)光材料并用于構(gòu)建傳感平臺。為進一步提升材料的發(fā)光性能，并不斷深化與完善ECL 體系，提高其檢測分析能力，研究者開發(fā)了多種共反應(yīng)促進劑。已有文獻對共反應(yīng)促進劑的研究進展進行了論述，簡要介紹了共反應(yīng)促進劑提升ECL 信號的基本機理[9]及應(yīng)用[10]。本文綜述了近年來共反應(yīng)型ECL 體系中共反應(yīng)促進劑的研究現(xiàn)狀，重點探討了單原子催化劑、金屬基納米材料、聚合物及其它類型的共反應(yīng)促進劑材料，并針對不同類型的共反應(yīng)劑分別闡述其在ECL 體系中的增強機制和發(fā)光機理及其在生物傳感和分析領(lǐng)域的應(yīng)用，對共反應(yīng)促進劑的研究所面臨的挑戰(zhàn)進行了總結(jié)，并展望了其未來的發(fā)展前景。

1 ECL發(fā)光機理

ECL 的發(fā)光機理大致可以分為湮滅型、共反應(yīng)型以及熱電子誘導(dǎo)型[11-12]。湮滅型ECL 是指同一種物質(zhì)分別在不同電位下發(fā)生還原和氧化反應(yīng)，生成的自由基互相結(jié)合形成不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)形式，隨后從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時以光輻射的形式釋放能量。共反應(yīng)型ECL 是指當(dāng)共反應(yīng)劑與發(fā)光物共存于溶液時，在電極上施加單一方向的掃描電位，共反應(yīng)劑在電化學(xué)氧化或還原的條件下解離為具有強氧化性或強還原性的活性自由基，隨后與發(fā)光分子的電化學(xué)氧化還原產(chǎn)物結(jié)合，形成激發(fā)態(tài)的發(fā)光中間體，以光輻射的形式釋放能量并返回基態(tài)的過程。熱電子誘導(dǎo)型ECL 是指通過施加高強度陰極脈沖激發(fā)發(fā)光體產(chǎn)生的發(fā)光。當(dāng)陰極脈沖施加在涂有薄絕緣層的電極表面時，電子通過隧道效應(yīng)變成高能電子，即熱電子（e?hot）。相比于湮滅型ECL 和熱電子誘導(dǎo)型ECL，共反應(yīng)型ECL 過程中產(chǎn)生的自由基離子活性較高且壽命較長，因此通常具有更高的發(fā)光效率，并被用于構(gòu)建具有高靈敏度分析性能的傳感平臺[13]。研究發(fā)現(xiàn)，在共反應(yīng)型ECL 體系中加入共反應(yīng)促進劑，能催化共反應(yīng)劑分解產(chǎn)生大量的活性自由基，從而顯著提高ECL 的發(fā)射強度。因此，共反應(yīng)促進劑在構(gòu)建簡單且高效的ECL 傳感平臺中具有重要作用。

2 不同類型的共反應(yīng)促進劑及ECL增強機制

近年來，研究者開發(fā)了一些通用且穩(wěn)定的共反應(yīng)型ECL 體系，其中常用的共反應(yīng)劑包括過氧化氫（H2O2）、溶解氧（DO）、過硫酸鹽（S2O82?）、三正丙胺（TPrA）和三乙胺（TEA）等物質(zhì)。在構(gòu)建ECL 傳感平臺時，首先根據(jù)材料的ECL 發(fā)光屬性選用對應(yīng)的共反應(yīng)劑，再結(jié)合電催化性質(zhì)、形貌、電子轉(zhuǎn)移效率以及有無交叉反應(yīng)等因素挑選合適的共反應(yīng)促進劑。根據(jù)近年來共反應(yīng)促進劑的相關(guān)研究，本文歸納了共反應(yīng)促進劑在共反應(yīng)型ECL 體系中可能的增強機制，并分別對以單原子催化劑、金屬基納米材料、聚合物及其它類型材料作為共反應(yīng)促進劑的最新研究成果進行了總結(jié)。

2.1 單原子催化劑

單原子催化劑（Single-atom catalysts， SACs）是金屬組分以單原子的形式分散在載體上的一類催化劑。例如，原子級地分散在碳基載體上的過渡金屬，因其原子利用率接近100%，并且電催化活性高，在氧還原反應(yīng)（ORR）、析氫反應(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER）[14]等相關(guān)的電催化體系中廣泛應(yīng)用。其中，在ORR過程中，氧氣分子會吸附在活性金屬中心，并高效解離為超氧自由基（O2· ?）和羥基自由基（OH·）等[15-16]活性氧物種（ROS）。

以魯米諾為發(fā)光分子的經(jīng)典ECL 體系通常使用H2O2 作為共反應(yīng)劑，通過電化學(xué)反應(yīng)使H2O2 解離產(chǎn)生活性氧中間體，并與魯米諾陰離子自由基反應(yīng)，使魯米諾分子達到激發(fā)態(tài)，其從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時會產(chǎn)生較強的ECL 發(fā)射信號。Gu 等[17]采用鐵的單原子催化劑（Fe-N-C SACs）作為高效的共反應(yīng)促進劑，激活H2O2 產(chǎn)生大量ROS，在0 ～ ?0.2 V 的電位掃描范圍內(nèi)實現(xiàn)了魯米諾在超低電位下的陰極ECL 發(fā)射，如圖1 所示。為了驗證鐵單原子催化劑的催化效果，該研究設(shè)計了葡萄糖氧化酶介導(dǎo)的ECL 免疫分析，實現(xiàn)了對癌胚抗原的靈敏檢測，揭示了SACs 在構(gòu)建低觸發(fā)電位的高效陰極ECL 系統(tǒng)方面具有優(yōu)越性。

由于H2O2 易分解，并且濃度較高時生物毒性明顯；溶解氧（DO）無毒且穩(wěn)定性高，被認為是魯米諾ECL 過程中理想的共反應(yīng)劑[18-19]。但是，以DO 為共反應(yīng)劑時， O2 轉(zhuǎn)換成ROS 的效率較低，因此魯米諾的ECL 強度較弱。為了提升魯米諾-DO 體系的ECL 發(fā)射性能，研究者嘗試將SACs 引入到該體系中。Gu 等[20]利用Fe-N-C SACs 的催化活性將DO 高效轉(zhuǎn)變?yōu)镽OS，大大提升了魯米諾-DO 體系的ECL 信號，并將此傳感機理用于抗氧化劑的檢測。該研究組還開發(fā)了具有2 個活性中心的碳載鎳單原子催化劑，在較小的負電位下實現(xiàn)對DO 的活化和ECL 性能的提升[21]。Huang 等[22]利用Fe-N-C SACs 對DO 的高效催化性能，提升了基于金屬有機框架（MOF）材料的FeZn-MOF@luminol 發(fā)光劑的性能，以此構(gòu)建的夾心型ECL 免疫傳感器無需添加傳統(tǒng)的H2O2 共反應(yīng)劑，既簡化了蛋白質(zhì)的檢測過程，又為細胞檢測提供了安全的環(huán)境。Xia 等[23]通過調(diào)節(jié)中心金屬原子種類和改變原子的周圍環(huán)境，控制ORR 反應(yīng)的活性氧產(chǎn)物，影響魯米諾-DO 在較低負電位下的陰極ECL 行為，構(gòu)建了ORR-ECL 反應(yīng)的橋梁。Yang 等[24]改善了SACs 的結(jié)構(gòu)組成，構(gòu)建了磷摻雜的Fe-N/P-C SACs 并作為共反應(yīng)促進劑，通過引入雜原子提升碳基載體對氧氣的吸附能力，提升ORR 效果并增強ECL 發(fā)射強度。

SACs 的使用在一定程度上提升了魯米諾的ECL 信號強度，但在實際樣品的檢測應(yīng)用中，仍存在靈敏度低、檢測范圍窄的問題。為了解決此問題，研究者引入了等離子體激元效應(yīng)，即密集電子的集體振蕩。這種振蕩能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)變?yōu)殡娮蛹ぐl(fā)能，成為催化領(lǐng)域的研究熱點[25-26]。將等離子體激元效應(yīng)與ECL 分析技術(shù)結(jié)合是實現(xiàn)超靈敏傳感檢測的一種有效解決方案。Bushira 等[27]將Au@SiO2 顆粒組裝形成單層納米膜（圖2），利用納米膜的二維等離子體激元效應(yīng)誘導(dǎo)實現(xiàn)Fe SACs 催化的魯米諾-DO 體系的ECL 信號增強。其中，魯米諾的ECL 發(fā)射可以有效激發(fā)Au@SiO2 等離子體納米膜的局域表面等離子體共振，并引起電磁場增強；同時，有序排列的SiO2 納米膜可有效提升光程長度和光子通量，從而提升ECL 信號。研究者進一步將該體系用于多巴胺、氯化血紅素和Hg2+的檢測，證實了等離子體效應(yīng)與Fe SACs 的協(xié)同增強作用顯著提高了檢測靈敏度，擴展了線性檢測范圍。

相比于僅含有1 種金屬的單原子催化劑，具有雙金屬位點的SACs（D-SACs）對反應(yīng)活性位點和反應(yīng)物之間的相互作用產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，因而表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性[28]。Bushira 等[29]構(gòu)建了氮摻雜石墨烯負載的Fe、Co 雙金屬原子催化劑，該D-SACs 的活性位點可有效吸附DO 并將其催化解離為O2· ?，為魯米諾的ECL 發(fā)光提供充足的ROS。結(jié)合銀納米顆粒的等離子體增強效應(yīng)，將體系中魯米諾的ECL 信號提升了677 倍，對前列腺特異性抗原（PSA）的檢出限低至0.98 fg/mL，在前列腺疾病診斷中顯示出良好的應(yīng)用前景。

2.2 金屬基納米材料

自共反應(yīng)促進劑的概念提出以來，多種具有良好催化性能的納米材料被用于研究其對ECL 性能的影響，其中，許多研究都圍繞金屬、金屬氧化物和異質(zhì)結(jié)納米材料等展開，例如研究發(fā)現(xiàn)，鐵基納米復(fù)合物材料[30-33]可作為高效的共反應(yīng)促進劑應(yīng)用于ECL 體系中，分別構(gòu)建不同的ECL 傳感平臺。為了深入理解金屬納米材料作為共反應(yīng)促進劑在共反應(yīng)型ECL 體系中的增強機制，本節(jié)將針對不同共反應(yīng)劑體系中的應(yīng)用展開論述，主要涉及的共反應(yīng)劑包括H2O2、DO、S2O82?和胺類物質(zhì)等。

2.2.1 以H2O2為共反應(yīng)劑

在以H2O2 為共反應(yīng)劑的ECL 體系中， ROS 作為重要的中間產(chǎn)物將直接影響ECL 性能。因此，需要采用加入共反應(yīng)促進劑的方法提升以H2O2 為共反應(yīng)劑的ECL 體系的檢測性能。

Wang 等[34]將金鈀納米粒子（AuPdNPs）引入ECL 傳感平臺，并在其表面修飾魯米諾的衍生物（ABEI），構(gòu)建了具有自催化性能的ECL 探針（圖3）。以AuPdNPs 為共反應(yīng)促進劑，催化H2O2 轉(zhuǎn)化為超氧陰離子自由基（O2· ?），溶液中的O2· ?自由基不穩(wěn)定，一部分迅速轉(zhuǎn)化為O2 和OH–；同時， ABEI 在堿性條件下的電化學(xué)還原產(chǎn)物ABEI·?與剩余的O2· ?反應(yīng)生成激發(fā)態(tài)ABEI2 –*，當(dāng)ABEI2 –*返回基態(tài)時即可產(chǎn)生較強的ECL 信號。利用該增強型的ECL 探針，結(jié)合DNA 步行器的循環(huán)擴增策略，實現(xiàn)了對microRNA-141 的靈敏檢測。