量子點電化學(xué)發(fā)光研究進展及展望

曹芷源，孫 慧，蘇 彬

（浙江大學(xué)化學(xué)系,分析化學(xué)研究所,高新材料化學(xué)研究中心,杭州310058）

電化學(xué)發(fā)光（ECL）是一種電化學(xué)反應(yīng)控制下的化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象［1，2］. ECL綜合了化學(xué)發(fā)光與電化學(xué)的優(yōu)勢，一方面具有化學(xué)發(fā)光無需激發(fā)光源、背景信號低的優(yōu)點，另一方面其激發(fā)態(tài)的產(chǎn)生受電化學(xué)反應(yīng)控制，發(fā)光過程時空可控. 因此，ECL 分析具有更低的檢測限和更寬的線性范圍，是當(dāng)前生化分析領(lǐng)域最先進的分析方法之一［3～5］. 三聯(lián)吡啶釕/三正丙胺［Ru（bpy）32+/TPrA］ECL體系已成功應(yīng)用于商業(yè)化ECL免疫分析領(lǐng)域，代表了體外診斷技術(shù)的先進方向，為疾病的快速、準(zhǔn)確診斷提供了強有力的技術(shù)手段［6，7］. 然而，ECL領(lǐng)域仍面臨一些基礎(chǔ)科學(xué)問題亟待解決，主要表現(xiàn)為ECL發(fā)光體的光學(xué)性質(zhì)有待提升. 即使是應(yīng)用最廣泛的Ru（bpy）32+分子，其熒光量子產(chǎn)率也僅為4.2%［8］；此外，其發(fā)射光譜較寬［9］，且發(fā)光波長難以調(diào)控［10］. 當(dāng)前電化學(xué)發(fā)光分析已由單一的光強測量發(fā)展為綜合了光強、電位及光譜等信息的多維測量［11］，以滿足多種疾病標(biāo)志物分子尤其是與同一疾病相關(guān)的多種疾病標(biāo)志物分子的同時檢測的實際需求［12］. 這就要求ECL發(fā)光體一方面要具有較高的輻射復(fù)合效率以保證ECL分析的靈敏度，另一方面能夠輸出多種可辨識的ECL信號（如發(fā)光波長、起光電位等）.

量子點是一類尺寸小于激子玻爾半徑的半導(dǎo)體納米晶［13］. 受量子限域效應(yīng)的影響，量子點具有寬帶吸收、窄帶發(fā)射及波長隨尺寸連續(xù)可調(diào)等熒光分子不具備的優(yōu)異發(fā)光性質(zhì)［14］. 隨著量子點合成化學(xué)和光譜學(xué)的發(fā)展，量子點的發(fā)光性能不斷得到提升［15］. 高質(zhì)量的量子點具有趨于“完美”的熒光性質(zhì)，如100%的熒光量子產(chǎn)率、熒光壽命單指數(shù)衰減和發(fā)光穩(wěn)定非閃爍等［16，17］. 此外，量子點可溶液加工的性質(zhì)使研究人員可針對不同的應(yīng)用場景設(shè)計量子點結(jié)構(gòu)，從而滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的實際要求. 鑒于量子點優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)和靈活多樣的結(jié)構(gòu)組成，其具有替代傳統(tǒng)ECL分子的潛力［18］. 自2002年Bard課題組［19］首次報道硅量子點的ECL性質(zhì)以來，量子點電化學(xué)發(fā)光雖然取得了一定的研究進展，但量子點作為一種理想發(fā)光探針的優(yōu)勢尚未得到充分體現(xiàn)，其ECL效率遠未達到“理想發(fā)光材料”的預(yù)期.

與光致發(fā)光（PL）過程一致，量子點的ECL同樣源于激發(fā)態(tài)量子點內(nèi)部電子-空穴對（激子）的輻射復(fù)合. 因此，量子點的光學(xué)性質(zhì)是ECL乃至一切發(fā)光應(yīng)用的核心. 此外，ECL需要經(jīng)量子點表面由外至內(nèi)注入電子和空穴，這就要求量子點兼顧“電荷注入”效率與“激子復(fù)合”效率. 研究量子點的電荷注入和輻射復(fù)合過程，是理解量子點ECL過程的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)高效量子點ECL分析的前提.

1 量子點電化學(xué)發(fā)光機理研究

受量子限域效應(yīng)的影響，量子點的光學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出明顯的尺寸相關(guān)性. 通過調(diào)節(jié)尺寸即可實現(xiàn)量子點發(fā)光波長的調(diào)控，天然具備構(gòu)建波長分辨多色電化學(xué)發(fā)光體系的優(yōu)勢［20，21］. 另一方面，量子點表面原子占總原子數(shù)的比例隨量子點尺寸的減小而迅速增大，使量子點極易因表面原子配位不飽和而產(chǎn)生表面缺陷，從而影響其光學(xué)性質(zhì)［15］. 對于量子點的電化學(xué)發(fā)光應(yīng)用來說，量子點的獨特性質(zhì)使其具有與分子體系不同的電化學(xué)發(fā)光機理和過程，主要表現(xiàn)為缺陷態(tài)對量子點電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)的影響［18］.

與光致發(fā)光過程不同，量子點的電化學(xué)發(fā)光需要由外界經(jīng)量子點表面注入電子和空穴形成激發(fā)態(tài)，缺陷（尤其是表面缺陷）能級會降低電子和空穴的注入效率，影響量子點電化學(xué)發(fā)光的激發(fā)態(tài)生成過程［18］. 此外，與光致發(fā)光過程一致，缺陷態(tài)的存在會影響量子點的輻射復(fù)合過程. 缺陷能級可以捕獲激發(fā)態(tài)的電子或空穴，降低量子點的發(fā)光效率甚至造成發(fā)光光譜的紅移和展寬（圖1）. 然而，目前電化學(xué)發(fā)光領(lǐng)域關(guān)于缺陷態(tài)對量子點電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)的影響尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識，文獻報道中存在一些不互洽的實驗現(xiàn)象導(dǎo)致量子點缺陷態(tài)與電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)之間的關(guān)系頗為模糊. 缺陷態(tài)猝滅或增強量子點的電化學(xué)發(fā)光、電化學(xué)發(fā)光光譜與熒光光譜一致或紅移的量子點電化學(xué)發(fā)光模式均有報道［18］. 因此，理解量子點缺陷態(tài)與電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)間的關(guān)系是研究量子點電化學(xué)發(fā)光機理的重要組成部分，決定了量子點電化學(xué)發(fā)光的發(fā)展方向，也是實現(xiàn)高效量子點電化學(xué)發(fā)光分析的關(guān)鍵因素.

Fig.1 Effect of surface traps on ECL properties of QDs

Fig.2 Band?edge and trap emission of QDs ECL

1.1 本征態(tài)與缺陷態(tài)電化學(xué)發(fā)光

根據(jù)電化學(xué)發(fā)光光譜與熒光光譜的對應(yīng)關(guān)系，量子點電化學(xué)發(fā)光可分為本征態(tài)和缺陷態(tài)2 種（圖2）［18］. 前者的光譜與熒光光譜一致，發(fā)光源于帶邊激子（導(dǎo)帶底電子與價帶頂空穴形成的電子-空穴對）的輻射復(fù)合；而后者的光譜相對于熒光光譜呈現(xiàn)紅移和展寬，發(fā)光來自于缺陷態(tài)能級的發(fā)射.2002年，Bard課題組［19］首次報道了Si量子點的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，開啟了量子點電化學(xué)發(fā)光研究的序幕. 隨后他們對CdSe［22］，CdSe/ZnSe［23］，CdTe［24］和Ge［25］量子點的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)進行了深入研究. 在CdSe量子點的電化學(xué)發(fā)光研究中，首次觀察到量子點的電化學(xué)發(fā)光光譜與熒光光譜的差異. 如圖3（A）所示，該CdSe量子點的第一激子吸收峰位于537 nm，熒光發(fā)射位于545 nm處且在長波方向有明顯拖尾［圖3（A）藍色虛線部分］，說明存在表面缺陷. 電化學(xué)發(fā)光光譜［圖3（B）］顯示，CdSe量子點僅在750 nm附近有1個小峰，較熒光光譜紅移約200 nm，表明該CdSe量子點的電化學(xué)發(fā)光源于表面缺陷態(tài)能級的發(fā)射，而非量子點的帶邊發(fā)光（或本征發(fā)光）［22］.

Fig.3 Absorption(a),PL(b)spectra(A)and ECL(B)spectra of CdSe QDs[22]

隨后，Bard課題組研究了CdSe/ZnSe核/殼量子點［23］以及CdTe量子點［24］的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，并首次觀察到量子點的本征態(tài)電化學(xué)發(fā)光，證明量子點同時存在本征態(tài)與缺陷態(tài)2 種電化學(xué)發(fā)光模式. 以CdSe/ZnSe核/殼量子點為例，核/殼結(jié)構(gòu)有利于隔離激子與量子點的表面缺陷，降低表面缺陷對激發(fā)態(tài)光學(xué)性質(zhì)的影響. 外延生長ZnSe 殼層后，CdSe/ZnSe 量子點的熒光強度較CdSe 量子點有顯著提升［圖4（A）］，實驗中可同時觀察到580 nm 附近的本征態(tài)發(fā)光和740 nm 附近的缺陷態(tài)發(fā)光［圖4（B）］.結(jié)合后續(xù)CdTe 量子點的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)研究［24］，作者認(rèn)為與熒光過程相比，量子點的電化學(xué)發(fā)光過程對表面缺陷的存在更加敏感，量子點的本征態(tài)電化學(xué)發(fā)光需要高度鈍化量子點表面以消除表面缺陷能級.

Fig.4 PL and absorption(inset) spectra of CdSe and CdSe/ZnSe core/shell QDs(A) and ECL spectra of CdSe/ZnSe core/shell QDs(B)[23]

1.2 缺陷態(tài)對量子點電荷注入過程的影響

關(guān)于量子點光致發(fā)光的研究［26］證實，缺陷態(tài)的存在會降低激發(fā)態(tài)量子點的輻射復(fù)合效率，導(dǎo)致熒光量子產(chǎn)率下降甚至產(chǎn)生缺陷態(tài)發(fā)光. 該結(jié)論同樣適用于量子點的電化學(xué)發(fā)光. 例如，基于量子點電化學(xué)發(fā)光對表面缺陷更加敏感的特性，量子點電化學(xué)發(fā)光可用于重金屬離子的高靈敏檢測［27～30］. 由于重金屬離子對巰基配體的配位能力強于量子點，重金屬離子的存在會奪取量子點表面的巰基配體造成表面缺陷增多并降低電化學(xué)發(fā)光強度. 該方法廣泛適用于巰基丁二酸（MSA）［27］、二巰基丁二酸（DMSA）［28］、巰基丙酸（MPA）［29］及巰基乙酸（TGA）［30］等水溶性巰基配體保護的量子點，可用于Cu2+［27～29］、Hg2+［28］和Pb2+［30］等重金屬離子的檢測.

然而，在量子點電化學(xué)發(fā)光研究中，一些研究報道缺陷態(tài)對量子點的電化學(xué)發(fā)光有促進作用. 由于電化學(xué)發(fā)光與光致發(fā)光過程的區(qū)別僅為激發(fā)方式不同，缺陷態(tài)的存在必然導(dǎo)致量子點輻射復(fù)合效率的降低，故缺陷態(tài)對量子點電化學(xué)發(fā)光的促進作用應(yīng)源于對量子點電荷注入過程的影響（即電化學(xué)發(fā)光的激發(fā)過程）. 如，Ju等［31］報道以2，3-二巰基丁二酸（DMSA）為表面配體的CdTe量子點具有較低的電化學(xué)發(fā)光電位. 由于DMSA 是一種雙齒配體，受位阻效應(yīng)的影響，大位阻的DMSA 配體無法有效保護量子點表面的所有位點，故合成得到的CdTe量子點具有大量表面缺陷. 由于表面缺陷的能級位置較低，DMSA保護的CdTe量子點在?0.59 V（vs. Ag/AgCl）即觀察到電化學(xué)發(fā)光信號. Liu等［32］研究了具有晶格層錯的纖鋅礦型ZnSe量子點的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，其電化學(xué)發(fā)光峰位于793 nm處，較光致發(fā)光紅移368 nm. 然而，具有晶格缺陷的ZnSe 量子點在?1.35 V 才可產(chǎn)生電化學(xué)發(fā)光，晶格缺陷的引入并未使量子點的電化學(xué)發(fā)光電位顯著提前.

鄒桂征課題組通過“反離子吸附”的方式對CdTe/CdS核/殼量子點［33］以及CdTe/ZnSe核/殼量子點［34］的電化學(xué)發(fā)光電位、強度和光譜等性質(zhì)進行了調(diào)控. 以CdTe/CdS核/殼量子點為例，先將量子點滴涂于玻碳電極（GCE）表面，隨后分別浸入10 mmol/L CdCl2或Na2S 溶液中以增加量子點表面的Cd2+或S2?位點，最后研究了量子點修飾電極的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，并與未處理的量子點修飾電極（CdTe/CdS＠GCE）作對比［圖5（A）］. 結(jié)果表明，經(jīng)Na2S 處理后，CdTe/CdS 核/殼量子點（CdTe/CdS/S2?＠GCE）的電化學(xué)發(fā)光強度明顯下降，電化學(xué)發(fā)光光譜紅移約10 nm；而經(jīng)CdCl2處理后，CdTe/CdS 核/殼量子點（CdTe/CdS/Cd2+＠GCE）的電化學(xué)發(fā)光強度略有增加，同時光譜紅移約2 nm［圖5（B）］. CdTe/ZnSe 核/殼量子點的研究結(jié)果與CdTe/CdS 核/殼量子點類似，量子點表面吸附Cd2+與Zn2+對電化學(xué)發(fā)光有增強作用，并使電化學(xué)發(fā)光電位提前；而表面吸附S2-對電化學(xué)發(fā)光有抑制作用，使發(fā)光電位延后［圖5（C）］.

Fig.5 Effects of surface states on CdTe/CdS(A,B)[33]and CdTe/ZnSe(C)[34]core/shell QDs

以上結(jié)果說明，量子點的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)與缺陷態(tài)密切相關(guān)，且不同類型的缺陷態(tài)（包括晶格缺陷、表面電子缺陷和表面空穴缺陷）對量子點的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)可能有不同的影響. 然而，當(dāng)前量子點電化學(xué)發(fā)光領(lǐng)域?qū)@一問題的研究尚不完整，甚至存在截然相反的結(jié)論. 我們認(rèn)為，造成這一問題的原因主要有2點. 首先，用于電化學(xué)發(fā)光機理研究的量子點體系各不相同，量子點的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)參差不齊，難以得到缺陷態(tài)對電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)影響的統(tǒng)一圖像. 其次，用于電化學(xué)發(fā)光研究的量子點缺少必要的光譜學(xué)表征. 當(dāng)前量子點電化學(xué)發(fā)光研究往往沿用了分子電化學(xué)發(fā)光體系的研究方法，主要局限于電化學(xué)以及電化學(xué)發(fā)光相關(guān)性質(zhì)（ECL強度及光譜）的測量. 而量子點結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得傳統(tǒng)研究方法無法全面且準(zhǔn)確地揭示量子點的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，未來量子點電化學(xué)發(fā)光研究需要結(jié)合量子點光譜學(xué)的研究手段，從多個角度全面研究量子點電化學(xué)發(fā)光的過程和機理. 如，時間分辨熒光光譜可表征量子點激發(fā)態(tài)的輻射和非輻射復(fù)合的動力學(xué)過程，直接反映量子點表面缺陷的種類和數(shù)量［35］.時間分辨熒光光譜與量子點電化學(xué)發(fā)光相結(jié)合，既能為用于電化學(xué)發(fā)光研究的量子點提供必要的光學(xué)性質(zhì)表征，也有利于揭示量子點電化學(xué)發(fā)光與表面缺陷的關(guān)系，在量子點電化學(xué)發(fā)光機理研究中有重要作用.

2 水相量子點電化學(xué)發(fā)光體系

有機相量子點的電化學(xué)研究為解釋量子點電化學(xué)發(fā)光機理奠定了基礎(chǔ). 然而，電化學(xué)發(fā)光生化分析必須在水相中進行，這就要求量子點必須具有良好的水分散性. 2004年，鞠火晃先課題組［36］首次報道了水溶液中CdSe 量子點的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)并將其應(yīng)用于H2O2分子的檢測. 然而，受限于量子點的合成方法，早期的水相量子點體系往往存在大量缺陷態(tài)，量子點的光學(xué)性質(zhì)和電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)均較差，僅可用于電化學(xué)發(fā)光光強測量［37～41］. 隨著量子點合成化學(xué)與電化學(xué)發(fā)光研究的發(fā)展，一些具有較好光學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定的本征態(tài)電化學(xué)發(fā)光性能的量子點體系被相繼報道. 這些量子點合成方法學(xué)的建立對量子點電化學(xué)發(fā)光機理研究以及水相量子點電化學(xué)發(fā)光生化分析應(yīng)用具有重要意義.

2.1 雙配體保護的量子點體系

鄒桂征課題組在量子點的水相合成過程中加入巰基丙酸（MPA）和六偏磷酸鈉（HMP）2種配體，發(fā)展了一種雙配體保護的水相量子點合成策略. 該策略適用于CdTe［42～44］，CdSe［45～47］，CdZnSe［48］，CdTe/CdS［33］，CdTe/ZnSe［34］以及Co2+摻雜CdTe量子點［49］的合成. 所得到的量子點具有較好的熒光性質(zhì)，熒光量子產(chǎn)率最高為74.6%（CdTe/CdS核/殼量子點）［33］，且電化學(xué)發(fā)光光譜與熒光光譜基本一致，表現(xiàn)出穩(wěn)定的本征態(tài)電化學(xué)發(fā)光性質(zhì).

本征態(tài)電化學(xué)發(fā)光是實現(xiàn)波長分辨多色量子點電化學(xué)發(fā)光分析的前提. 基于雙配體保護的量子點體系，鄒桂征課題組［44，47，48］率先將電化學(xué)發(fā)光光譜作為量子點電化學(xué)發(fā)光的讀出信號，在原有的電化學(xué)發(fā)光強度分析的基礎(chǔ)上，提出了基于光譜的電化學(xué)發(fā)光免疫分析方法. 以雙配體保護的CdTe量子點為例，將捕獲抗體固定于電極表面并將CdTe量子點與檢測抗體相連，當(dāng)抗原分子存在時，捕獲抗體、抗原以及量子點修飾的檢測抗體發(fā)生免疫識別反應(yīng)形成“三明治”夾心結(jié)構(gòu)從而將量子點“抓取”到電極表面產(chǎn)生電化學(xué)發(fā)光. 以電化學(xué)發(fā)光強度和光譜作為讀出信號，可實現(xiàn)甲胎蛋白（AFP）的高靈敏檢測［44］. 類似地，以雙配體保護的CdZnSe量子點［48］和CdSe量子點［47］為電化學(xué)發(fā)光體，分別建立了針對甲胎蛋白（AFP）和癌標(biāo)記抗原CA125的光譜免疫分析方法.

單一發(fā)光波長的量子點電化學(xué)發(fā)光光譜免疫分析為實現(xiàn)波長分辨多靶標(biāo)同時檢測奠定了基礎(chǔ). 分別以CdTe量子點（λmax=776 nm，CdTe776）和CdSe量子點（λmax=550 nm，CdSe550）修飾不同的檢測抗體，由電化學(xué)發(fā)光光譜即可區(qū)分不同抗原所對應(yīng)的電化學(xué)發(fā)光信號，實現(xiàn)了癌胚抗原（CEA）和甲胎蛋白（AFP）的同時檢測［50］. 進一步引入小尺寸的CdTe量子點（λmax=650 nm，CdTe650），鄒桂征課題組［51］在500～900 nm 的光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)了3 種量子點的電化學(xué)發(fā)光光譜分辨，并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)了癌胚抗原（CEA）、前列腺特異抗原（PSA）和甲胎蛋白（AFP）3種抗原的同時檢測（圖6）.

Fig.6 Schematic illustration of spectrum?resolved triplex color ECL immunoassay using dual?stabilizer?capped QDs as tags[51]

2.2 核/殼結(jié)構(gòu)量子點

在量子點表面外延生長具有較大禁帶寬度的無機殼層可有效隔離量子點的激子與表面缺陷，減少表面缺陷與外界環(huán)境對量子點激發(fā)態(tài)光學(xué)性質(zhì)的影響. 因此，核/殼結(jié)構(gòu)量子點具有更好的光學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性［26］. Bard課題組［23］在有機相CdSe/ZnSe核/殼量子點的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)研究中已證明，外延生長ZnSe殼層可有效提高CdSe量子點的熒光量子產(chǎn)率并使量子點表現(xiàn)出本征態(tài)電化學(xué)發(fā)光性質(zhì). Mei等［29］首次報道了以巰基丙酸（MPA）作配體的水相CdTe/CdS核/殼量子點的電化學(xué)發(fā)光. 以三丙胺（TPrA）為共反應(yīng)劑，量子點在玻碳電極（GCE）表面的起光電位約為0.5 V（vs. Ag/AgCl）. 隨后，以水溶性分子（如巰基丙酸［20，52，53］、二甲氨基乙硫醇［54，55］和聚乙二醇［56］等）為配體的一系列核/殼結(jié)構(gòu)量子點的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)被相繼報道，其中以CdSe/ZnS核/殼量子點的研究最為廣泛.

Wang等［56］研究了羧基化聚乙二醇保護的水溶性CdSe/ZnS核/殼量子點（CdSe/ZnS/PEG-COOH）的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，并將其用于C反應(yīng)蛋白（CRP）的免疫分析. 該量子點的熒光發(fā)射位于625 nm處；但電化學(xué)發(fā)光光譜在695 nm處有明顯展寬，表明該量子點同時存在本征態(tài)和缺陷態(tài)電化學(xué)發(fā)光［圖7（A）］.Dennany 等［55］將有機相CdSe/ZnS 核/殼量子點表面交換為二甲氨基乙硫醇（DAET）得到水相分散的CdSe/ZnS核/殼量子點（CdSe/ZnS/DAET），隨后將量子點與Nafion混合滴涂于電極表面并研究了其電化學(xué)發(fā)光性質(zhì). 與CdSe/ZnS/PEG-COOH量子點不同，CdSe/ZnS/DAET量子點的電化學(xué)發(fā)光光譜與熒光光譜相比僅紅移10 nm，且在長波方向無明顯展寬［圖7（B）］. 以上對比結(jié)果說明，即使同為CdSe/ZnS核/殼量子點，其組成、結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的差異也可導(dǎo)致量子點表現(xiàn)出截然不同的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì). 在量子點的電化學(xué)發(fā)光研究中需要同時考察量子點的光致發(fā)光和電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，密切關(guān)注量子點結(jié)構(gòu)、光致發(fā)光性質(zhì)與電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)三者之間的對應(yīng)關(guān)系.

Fig.7 ECL spectra of PEG?COOH capped CdSe/ZnS core/shell QDs(A)[56], absorption(dashed line) and emission(solid line) spectra of CdSe/ZnS core/shell QDs before(in toluene, black) and after(in water,red)ligand exchange with DAET(B)[55]

2.3 核/殼/殼結(jié)構(gòu)量子點

在核/殼結(jié)構(gòu)量子點的表面進一步外延生長新的無機殼層可得核/殼/殼結(jié)構(gòu)量子點. 韓鶴友課題組［57］在CdTe/CdS核/殼量子點表面外延生長ZnS殼層后，量子點的電化學(xué)發(fā)光強度提高了9倍，證明了核/殼/殼結(jié)構(gòu)量子點在電化學(xué)發(fā)光應(yīng)用中的潛在優(yōu)勢. 朱俊杰課題組［58］報道了CdSeTe/CdS/ZnS核/殼/殼結(jié)構(gòu)量子點的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，并結(jié)合金納米棒（AuNRs）的局域表面等離子體共振性質(zhì)構(gòu)建了電化學(xué)發(fā)光能量轉(zhuǎn)移免疫分析體系. 該工作指出，對于核/殼/殼結(jié)構(gòu)量子點，需要特別關(guān)注核、中間殼層與外殼層的晶格常數(shù). ZnS與CdSe和CdTe的晶格不匹配度均大于10%，在CdSeTe 量子點表面直接外延生長ZnS 殼層將產(chǎn)生晶格缺陷，導(dǎo)致量子點光學(xué)性質(zhì)的下降，故必須引入CdS 作為中間過渡層［圖8（A）］. 另一方面，ZnS具有較大的禁帶寬度，可有效將激子限域于量子點內(nèi)部. 對比CdSeTe/CdS核/殼量子點，CdSeTe/CdS/ZnS 核/殼/殼量子點具有更高的熒光量子產(chǎn)率［圖8（B）］. 基于CdSeTe/CdS/ZnS核/殼/殼量子點良好的光學(xué)性質(zhì)和電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，該工作實現(xiàn)了基于表面等離子體共振的高靈敏電化學(xué)發(fā)光能量轉(zhuǎn)移免疫分析. 將CdSeTe/CdS/ZnS 核/殼/殼量子點與介孔SiO2包覆的碳納米管（mCNTs）共修飾于金電極（GE）表面，當(dāng)抗原存在時，量子點修飾電極、抗原和金納米棒修飾抗體形成免疫夾心結(jié)構(gòu)［圖8（C）］. 由于量子點的發(fā)射光譜與金納米棒的消光光譜重疊，量子點的電化學(xué)發(fā)光被金納米棒猝滅，且猝滅程度與抗原濃度正相關(guān). 與傳統(tǒng)的基于抗原-抗體識別反應(yīng)的免疫分析相比，基于能量轉(zhuǎn)移的電化學(xué)發(fā)光免疫分析在靈敏度方面具有顯著優(yōu)勢［圖8（D）］.

Fig.8 Synthetic procedures of CdSeTe/CdS/ZnS core/shell/shell QDs(A), PL spectra of CdSeTe/CdS core/shell(i and iii)and corresponding CdSeTe/CdS/ZnS core/shell/shell QDs(ii and iv)(B),schematic illus?tration of construction of ECL energy transfer immunosensor(C)and calibration curves for determi?nation of CEA based on ECL energy transfer(curve 1) and traditional antigen-antibody recognition(curve 2)strategies(D)[58]

Fig.9 PL(top)and potential-dependent ECL spectra(bottom)of CdSe(A),CdSe/CdS core/shell(B),and CdSe/CdS/ZnS core/shell/shell QDs(C)

基于對量子點無機-無機界面和無機-有機界面的精確調(diào)控，蘇彬課題組與彭笑剛課題組合作［59］，首次實現(xiàn)了熒光量子產(chǎn)率近100%，熒光壽命單指數(shù)衰減的水相CdSe/CdS/ZnS核/殼/殼量子點的可控合成. 該工作采用有機相合成/親水性表面配體交換-相轉(zhuǎn)移的策略合成水相量子點. 高沸點的有機溶劑（十八烯）可以保證量子點的結(jié)晶溫度，有利于消除水相合成中難以避免的晶格缺陷；親水性表面配體（巰基丙酸）交換即可實現(xiàn)量子點表面親疏水性的轉(zhuǎn)換，在不改變量子點結(jié)構(gòu)的前提下使量子點可以穩(wěn)定地分散于水溶液中，滿足了水相生化分析的要求. 如圖9所示，作者首先對比了CdSe、CdSe/CdS核/殼重子點以及CdSe/CdS/ZnS 核/殼/殼量子點的熒光和電化學(xué)發(fā)光性質(zhì). 3 種量子點在有機相中的熒光量子產(chǎn)率均大于90%，但由于巰基配體［60］和水分子［61］均可作為空穴缺陷猝滅量子點發(fā)光，CdSe量子點轉(zhuǎn)移至水相后熒光量子產(chǎn)率幾乎為0，并且無任何電化學(xué)發(fā)光信號；CdSe/CdS核/殼量子點的熒光量子產(chǎn)率降至31%，電化學(xué)發(fā)光光譜與熒光光譜相比在長波方向略有展寬，表明單一CdS殼層不能為水相量子點提供充足的保護作用. 而CdSe/CdS/ZnS 核/殼/殼量子點轉(zhuǎn)移至水相后熒光量子產(chǎn)率仍保持在90%以上，電化學(xué)發(fā)光光譜與熒光光譜完全吻合. 與Ru（bpy）32+電化學(xué)發(fā)光體系相比，CdSe/CdS/ZnS核/殼/殼量子點的電化學(xué)發(fā)光效率是前者的6.9×105倍，充分證明了量子點在電化學(xué)發(fā)光領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢. 此外，通過調(diào)節(jié)CdSe核與CdS殼層的尺寸即可實現(xiàn)量子點發(fā)光波長的調(diào)控，在500～700 nm光譜范圍內(nèi)，可實現(xiàn)紅、黃、綠三色混合量子點體系的電化學(xué)發(fā)光信號的波長和電位分辨（圖10）. 該工作證明了量子點作為“理想發(fā)光材料”在電化學(xué)發(fā)光領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景，并為量子點電化學(xué)發(fā)光機理研究奠定了材料基礎(chǔ).

3 挑戰(zhàn)與展望

電化學(xué)發(fā)光是當(dāng)前最先進的免疫分析技術(shù)之一，但目前電化學(xué)發(fā)光體的光學(xué)性質(zhì)較差，限制了電化學(xué)發(fā)光分析的靈敏度和多靶標(biāo)同時檢測能力. 與傳統(tǒng)電化學(xué)發(fā)光分子相比，量子點在發(fā)光效率、光譜以及發(fā)光信號調(diào)制（如波長、電位分辨）等方面均有顯著優(yōu)勢. 隨著量子點合成化學(xué)與電化學(xué)發(fā)光機理研究的不斷深入，量子點有望成為新一代的電化學(xué)發(fā)光探針，極大地推動電化學(xué)發(fā)光在免疫分析、分子診斷等領(lǐng)域的實際應(yīng)用.

我們認(rèn)為，下一階段量子點電化學(xué)發(fā)光研究需要合成化學(xué)、光譜學(xué)與電分析化學(xué)等多個學(xué)科的交叉融合，即以高質(zhì)量的量子點為基礎(chǔ)，結(jié)合時間分辨光譜、單分子光譜等光譜學(xué)研究手段探究量子點電化學(xué)發(fā)光的機理和過程，為量子點電化學(xué)發(fā)光應(yīng)用提供切實可靠的理論指導(dǎo)，并在理論研究成果的指導(dǎo)下推動量子點合成化學(xué)的發(fā)展. 因此，未來研究將聚焦于量子點本征態(tài)電化學(xué)發(fā)光的機理與量子點在電化學(xué)發(fā)光過程中的行為，包括缺陷態(tài)與量子點電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)的關(guān)系、電化學(xué)發(fā)光過程中的電荷注入過程以及單量子點電化學(xué)發(fā)光.

3.1 缺陷態(tài)對量子點電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)的影響

對于量子點缺陷態(tài)與電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)的關(guān)系，當(dāng)前量子點電化學(xué)發(fā)光領(lǐng)域尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識，缺陷態(tài)對量子點電化學(xué)發(fā)光的淬滅及增強作用均有報道. 前文（1.2節(jié)）中已詳述，造成這一現(xiàn)狀的主要原因有2點，即作為“參照系”的對照組量子點本身具有較多缺陷以及量子點缺乏必要的光譜學(xué)表征.因此，明辨缺陷態(tài)對量子點電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)影響，關(guān)鍵在于采用具有100%熒光量子產(chǎn)率的量子點作為電化學(xué)發(fā)光機理研究的“參照系”，在此基礎(chǔ)上結(jié)合瞬態(tài)熒光光譜研究單一種類的缺陷態(tài)對電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)的影響.

顯然，解決量子點本征態(tài)與缺陷態(tài)電化學(xué)發(fā)光的爭論是指導(dǎo)量子點合成策略的關(guān)鍵，決定了應(yīng)用于電化學(xué)發(fā)光領(lǐng)域的量子點的合成方向，即合成具有特定缺陷態(tài)的量子點或光學(xué)性質(zhì)趨于“完美”的量子點.

3.2 量子點電化學(xué)發(fā)光的電荷注入過程

與熒光過程不同，電化學(xué)發(fā)光要求量子點兼顧“電荷注入”與“輻射復(fù)合”效率. 因此，良好的熒光性質(zhì)僅僅是量子點產(chǎn)生高效電化學(xué)發(fā)光的必要條件，而電荷注入過程決定了量子點電化學(xué)發(fā)光的激發(fā)效率. 在CdSe/CdS/ZnS核/殼/殼量子點的高效電化學(xué)發(fā)光研究中，我們發(fā)現(xiàn)CdSe/CdS核/殼量子點外延生長ZnS殼層后起光電位僅延后40 mV，即外延生長高禁帶寬度的ZnS殼層不會顯著影響量子點電化學(xué)發(fā)光的電荷注入過程［59］. 然而，現(xiàn)有的研究結(jié)果仍無法回答電子和空穴如何由電極表面（或溶液中共反應(yīng)劑分子）注入至量子點內(nèi)部形成激子.

另一方面，量子點很容易得到多個電子和空穴形成帶電激子和多激子等復(fù)雜的激子態(tài)［62］，這些復(fù)雜激子態(tài)的光學(xué)性質(zhì)（光譜寬度、光譜峰位、輻射復(fù)合效率等）與單激子（一電子一空穴）相比均有很大不同. 研究量子點的電荷注入過程是揭示量子點電化學(xué)發(fā)光的激子態(tài)種類、提高量子點電化學(xué)發(fā)光效率的關(guān)鍵.

3.3 單量子點電化學(xué)發(fā)光

由于量子點的光學(xué)性質(zhì)與其組成和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，單量子點研究可有效避免溶液集合體研究中不同量子點間光學(xué)性質(zhì)平均化的問題，是揭示量子點電化學(xué)發(fā)光機理的重要研究手段. 對于量子點電化學(xué)發(fā)光分析應(yīng)用來說，單量子點電化學(xué)發(fā)光測量代表了量子點電化學(xué)發(fā)光分析的檢測極限（即單個發(fā)光體），真正體現(xiàn)了電化學(xué)發(fā)光分析技術(shù)在靈敏度與檢測限方面的巨大優(yōu)勢.

綜上，合成高質(zhì)量、高發(fā)光效率的量子點是解決上述機理問題的必要條件，也是實現(xiàn)高靈敏度量子點電化學(xué)發(fā)光分析的必然要求. 在量子點的合成過程中，需要以電化學(xué)發(fā)光的應(yīng)用要求為導(dǎo)向，有針對性地設(shè)計量子點的組成與結(jié)構(gòu). 除量子點本身的光學(xué)性質(zhì)外，電化學(xué)發(fā)光應(yīng)用要求量子點具有良好的水相分散性和穩(wěn)定性，同時兼顧電荷注入與輻射復(fù)合效率. 因此，涉及電化學(xué)發(fā)光過程與機理的理論研究顯得尤為重要. 合成化學(xué)為量子點電化學(xué)發(fā)光理論研究提供材料基礎(chǔ)，而理論研究的成果反過來指導(dǎo)電化學(xué)發(fā)光量子點的合成，二者相輔相成共同推動量子點電化學(xué)發(fā)光分析應(yīng)用的發(fā)展.