量子點(diǎn)在電致化學(xué)發(fā)光傳感器中的應(yīng)用研究進(jìn)展

楊 蓉，柴雅琴，袁 若

（西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶400715）

0 前言

納米材料具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，是納米技術(shù)的基礎(chǔ)。作為一種新型的納米材料，量子點(diǎn)通常被稱作半導(dǎo)體納米晶[1-2]，由元素周期表中ⅡB-ⅥA族（如CdS[3]，CdSe[2]，CdTe[4]，ZnS[5]，ZnSe[6]）或ⅢA-ⅤA族（如InAs[7]，InP[8]，GaAs[9]）的元素組成，物理尺寸小于激子波爾半徑[10]。量子點(diǎn)的光學(xué)和電學(xué)性能既不同于分散的原子也不同于大塊的固體物質(zhì)，引起了學(xué)者們濃厚的興趣。量子點(diǎn)的性質(zhì)可以概括以下幾點(diǎn)。（1）尺寸和結(jié)構(gòu)（或組成）可調(diào)控，發(fā)光波長從可見光區(qū)到紅外區(qū)，可應(yīng)用的范圍廣[11]。（2）光譜范圍寬且吸收消光系數(shù)大，熒光量子產(chǎn)率高（20%~80%），發(fā)光強(qiáng)[12-13]。（3）熒光發(fā)射光譜窄（發(fā)射光譜的半峰寬為25~30 nm），吸收光譜寬，發(fā)射位移大[14-15]。（4）激發(fā)光譜寬，向紫外方向不斷增加[16-17]。（5）

自身尺寸小，直徑在4~12 nm[18]。（6）通常為無機(jī)材料，在相對(duì)苛刻的條件下也能具有很強(qiáng)的發(fā)光能力[13,19]。總的來說，量子點(diǎn)最獨(dú)特的性質(zhì)還是尺寸引起的發(fā)光波長的可調(diào)節(jié)性[11,20]。

ECL是電極表面的物質(zhì)發(fā)生高能的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)形成激發(fā)態(tài)后躍遷回基態(tài)輻射光子的過程[21-22]。盡管電解過程中的發(fā)光現(xiàn)象在20世紀(jì)20年代就已經(jīng)被報(bào)道[23-24]，但對(duì)ECL的詳細(xì)研究卻從20世紀(jì)60年代中期Hercules和Bard等的工作才開始[25-27]。ECL技術(shù)是電化學(xué)技術(shù)和發(fā)光分析技術(shù)的結(jié)合，它完美融合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，如無需光源，能夠精確控制發(fā)光過程的電位、時(shí)間，發(fā)光體具有通用性，響應(yīng)速度快，操作簡便，儀器成本低等[28-29]。1989年，ECL技術(shù)被首次應(yīng)用于生物分析[30]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，ECL已經(jīng)成為一項(xiàng)快速、高靈敏性和選擇性的分析技術(shù)。21世紀(jì)初期，Bard教授課題組首次發(fā)現(xiàn)一系列量子點(diǎn)具有ECL現(xiàn)象[31-36]。之后，南京大學(xué)鞠愰先課題組報(bào)道了首個(gè)基于量子點(diǎn)的ECL生物傳感器[37]。這一工作在分析領(lǐng)域引發(fā)了廣泛的研究興趣，隨后研究者們對(duì)于量子點(diǎn)的ECL性質(zhì)和各種量子點(diǎn)（如ⅡB-ⅥA，ⅢA-ⅤA和ⅣA-ⅥA）在ECL生物分析中的實(shí)際應(yīng)用開展了大量的研究。

1 量子點(diǎn)的ECL性質(zhì)和機(jī)理

量子點(diǎn)的ECL特性主要基于其電化學(xué)和光物理性質(zhì)。量子點(diǎn)發(fā)生高能電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的能力是其ECL特性的基礎(chǔ)。晶體學(xué)的觀點(diǎn)認(rèn)為，一個(gè)量子點(diǎn)可以劃分為兩個(gè)晶體區(qū)域，體相（核心部分）和表面部分。在體相中，離子長程有序地周期性排列；而在表面部分，未配對(duì)的電子、懸空鍵和晶體缺陷等的存在，使得離子處于不對(duì)稱的環(huán)境下[38]。根據(jù)布洛赫定理，不同的結(jié)構(gòu)具有不同的電子態(tài)和能級(jí)分布。量子點(diǎn)的比表面積很大，其表面原子決定了其表面能級(jí)，而其核心部分的帶隙比表面態(tài)的能級(jí)分離大得多。因此，量子點(diǎn)的光物理性質(zhì)理論上應(yīng)該與帶隙和表面態(tài)都有關(guān)[39]。

1.1 量子點(diǎn)的ECL性質(zhì)

量子點(diǎn)的ECL性質(zhì)也與表面態(tài)和帶隙躍遷相關(guān)，因此可以將量子點(diǎn)的ECL分為兩種基本類型：表面態(tài)型和帶隙型[40]。本質(zhì)上，量子點(diǎn)的ECL是一個(gè)電驅(qū)動(dòng)、依賴電壓的過程，載流子在量子點(diǎn)和電極/共反應(yīng)試劑之間通過表面態(tài)運(yùn)動(dòng)。增加掃描電壓時(shí)，由于表面態(tài)通常比核心部分的能量更低，它們首先會(huì)被電極/共反應(yīng)試劑的載流子占據(jù)，產(chǎn)生表面態(tài)ECL。進(jìn)一步增大施加的電壓，載流子將注入量子點(diǎn)更高能級(jí)的核心部分，產(chǎn)生帶隙ECL發(fā)射。

實(shí)際上，除了施加的電壓，ECL發(fā)射來源于表面態(tài)還是帶隙也取決于量子點(diǎn)本身，如組成、體積、或者拓?fù)鋵W(xué)等等。此外，根據(jù)結(jié)構(gòu)流變學(xué)，可以通過調(diào)節(jié)量子點(diǎn)來控制其ECL在表面態(tài)型和帶隙躍遷型之間轉(zhuǎn)換。一方面，為了獲得表面態(tài)型ECL，可以有意地改變化學(xué)計(jì)量比或者在量子點(diǎn)表面設(shè)計(jì)特定的基團(tuán)。例如，巰基丙酸和六偏磷酸鈉的雙配體可以阻礙包裹性殼層的形成，從而產(chǎn)生大量的表面態(tài)[38]。另一方面，為了減弱表面態(tài)ECL，可以有意鈍化量子點(diǎn)的表面。例如，形成核-殼結(jié)構(gòu)可以抑制量子點(diǎn)的表面態(tài)。另外，殼的組成和數(shù)量也可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的ECL發(fā)射波長和強(qiáng)度[41-43]。摻雜的量子點(diǎn)（如摻Se，Mn，Co和Eu的量子點(diǎn)）與摻雜前相比，往往能夠獲得意想不到的ECL性質(zhì)[22,38]。

由于通常認(rèn)為載流子運(yùn)動(dòng)是通過表面態(tài)進(jìn)行的，所以表面態(tài)型被認(rèn)為是量子點(diǎn)ECL的主要類型，其與帶隙型ECL相比也有許多優(yōu)勢(shì)。具體來說，它更容易受到表面態(tài)的影響，可以用來研究表面化學(xué)和電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)。而且，表面態(tài)型ECL的信號(hào)出現(xiàn)在更長的波長和更低的電壓下，這無疑有利于保持生物分析體系的生物活性，避免共存的電活性物質(zhì)的干擾，從而實(shí)現(xiàn)低電壓下的靈敏分析應(yīng)用。

1.2 量子點(diǎn)的ECL機(jī)理

量子點(diǎn)的ECL機(jī)理包括常規(guī)的湮滅型和共反應(yīng)型[44]。在首個(gè)關(guān)于量子點(diǎn)ECL報(bào)道中[31]，硅量子點(diǎn)的ECL既可以產(chǎn)生于湮滅途徑也可以產(chǎn)生于共反應(yīng)途徑。在湮滅途徑中，對(duì)電極表面的量子點(diǎn)進(jìn)行電壓掃描或者施加差分脈沖電壓，可以產(chǎn)生被氧化（QD·+）的和被還原（QD·-）的兩種量子點(diǎn)自由基。這兩種自由基碰撞并湮滅產(chǎn)生基態(tài)（QD）和激發(fā)態(tài)（QD*）物質(zhì)[45]。湮滅型ECL不需要額外的共反應(yīng)試劑，但量子點(diǎn)自由基必須化學(xué)穩(wěn)定，且能夠存活到其與帶相反電荷的自由基發(fā)生碰撞。而且，湮滅型的ECL需要很高的過電勢(shì)來克服量子點(diǎn)的表面能，這進(jìn)一步限制了它的實(shí)際應(yīng)用。因而，當(dāng)前量子點(diǎn)的ECL應(yīng)用幾乎全部基于強(qiáng)度更高的共反應(yīng)型ECL。在共反應(yīng)途徑中，量子點(diǎn)和共反應(yīng)試劑在均相中共存，ECL通常伴隨單方向的電壓掃描產(chǎn)生。這種方式中，需要共反應(yīng)試劑的溶解性和穩(wěn)定性良好，動(dòng)力學(xué)和電化學(xué)性能快，ECL背景信號(hào)低。典型的共反應(yīng)試劑包括三丙胺、氧氣、過氧化氫、過硫酸鹽、草酸鹽等[45-46]。比起湮滅途徑需要QD·+和QD·-兩種自由基，在共反應(yīng)途徑中，QD·+（QD·-）和共反應(yīng)試劑的強(qiáng)還原性（或氧化性）中間體自由基之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生QD*。盡管共反應(yīng)試劑的加入使ECL過程復(fù)雜化，但共反應(yīng)途徑確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)更高效和靈敏的ECL發(fā)射，實(shí)際應(yīng)用范圍也更廣[40]。根據(jù)共反應(yīng)試劑作為還原劑或氧化劑的角色不同，共反應(yīng)型ECL可以進(jìn)一步分為“氧化-還原型”ECL和“還原-氧化型”ECL。

2 基于量子點(diǎn)的ECL傳感器

如前所述，由于尺寸、結(jié)構(gòu)和組成的可控性，量子點(diǎn)在生物分析應(yīng)用中具有的巨大潛力。對(duì)于基于量子點(diǎn)的ECL生物分析，該文從量子點(diǎn)作為ECL發(fā)光體、共反應(yīng)試劑和共反應(yīng)促進(jìn)三個(gè)方面展開。

2.1 作為發(fā)光體

自從2002年硅量子點(diǎn)的ECL現(xiàn)象被報(bào)道以來，關(guān)于量子點(diǎn)的ECL的研究越來越多，如CdTe量子點(diǎn)，CdSe量子點(diǎn)，PbS量子點(diǎn)[47-49]?；诹孔狱c(diǎn)為ECL發(fā)光體構(gòu)建生物傳感器的研究不計(jì)其數(shù)，如朱俊杰課題組[50]以CdSe/ZnS量子點(diǎn)為發(fā)光體，利用兩種抗凝血酶適配體構(gòu)建了一個(gè)簡單的夾心型ECL傳感器用于凝血酶的檢測，Liu等[51]以CdTe量子點(diǎn)為發(fā)光體，金納米粒子為葡萄糖氧化酶模擬酶構(gòu)建生物傳感器用于葡萄糖的檢測，Xu等[52]以CdS:Mn量子點(diǎn)為發(fā)光體結(jié)合鋅離子驅(qū)動(dòng)的DNA滾輪機(jī)器構(gòu)建生物傳感器用于microRNA-21的檢測，Sun等[53]以CdTe量子點(diǎn)為發(fā)光體，合成了三維的CdTe QDs-DNA納米矩陣作為信號(hào)探針，結(jié)合雙腿DNA步行器構(gòu)建生物傳感器用于microRNA-21的檢測。

由于重金屬量子點(diǎn)的毒性高，其在生物分析領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制，近年來研究者的目光開始轉(zhuǎn)向一些無毒、環(huán)境友好的量子點(diǎn)。朱俊杰課題組[54]以Si量子點(diǎn)為發(fā)光體，基于Si量子點(diǎn)和金納米粒子之間的ECL共振能量轉(zhuǎn)移（ECL-RET）構(gòu)建生物傳感器用于DNA的檢測，檢測線性范圍為0.1 fmol/L~1 pmol/L，檢測限低至16 amol/L。Zhao等[55]以MoS2量子點(diǎn)為發(fā)光體結(jié)合適配體識(shí)別驅(qū)動(dòng)的目標(biāo)物循環(huán)同步滾環(huán)擴(kuò)增放大策略構(gòu)建生物傳感器用于脂多糖的檢測，檢測線性范圍為0.1 fg/mL~50 ng/mL，檢測限低至0.07 fg/mL。Lei等[56]以SnS2量子點(diǎn)為發(fā)光體結(jié)合DNA納米機(jī)器構(gòu)建生物傳感器用于巨細(xì)胞病毒pp65抗體的檢測，檢測線性范圍為1 fmol/L~100 nmol/L，檢測限低至0.33 fmol/L。Yang等[57]以價(jià)格低廉、環(huán)境友好、光電性能優(yōu)異的SnO2量子點(diǎn)作為發(fā)光體，通過三種共反應(yīng)促進(jìn)劑（MnO2納米花、Ag納米粒子和hemin-G四分體）的協(xié)同作用增強(qiáng)量子點(diǎn)的ECL強(qiáng)度，結(jié)合三維DNA步行器構(gòu)建生物傳感器用于microRNA-21的檢測（如圖1），檢測線性范圍為10 amol/L~100 pmol/L，檢測限低至2.9 amol/L。

圖1 協(xié)同作用增強(qiáng)SnO2 QDs的ECL發(fā)射結(jié)合3D DNA步行器用于microRNA的檢測[57]Fig.1 A synergistic promotion strategy accelerated electrochemiluminescence of SnO2 QDs for microRNA detection using 3D DNA walker amplification[57]

為了解決石墨相氮化碳鏈子點(diǎn)（GCN QDs）ECL效率低的問題，Zhang等[58]合成了硫摻雜的石墨相氮化碳量子點(diǎn)（S-GCN QDs）并基于表面等離子體耦合ECL模型（SPC-ECL）構(gòu)建夾心型生物傳感器（如圖2）。S的摻雜可以有效改變量子點(diǎn)的表面態(tài)，產(chǎn)生新的元素空穴。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該量子點(diǎn)的ECL效率達(dá)到GCN QDs的2.5倍。雖然GCN QDs的ECL發(fā)射波長（620 nm）與金納米粒子的吸收波長（530 nm）之間存在很大的差距，但S-GCN QDs在555 nm處產(chǎn)生一個(gè)新的ECL發(fā)射峰，與金納米粒子的吸收峰接近。由于波長依賴的表面等離子體耦合效應(yīng)，S-GCN QDs在555 nm處的ECL峰明顯增強(qiáng)。將該傳感器用于K-RAS基因的檢測，線性范圍為50 fmol/L~1 nmol/L，檢測限低至16 fmol/L。

圖2 基于硫摻雜的石墨相氮化碳量子點(diǎn)（S-GCN QDs）構(gòu)建夾心型生物傳感器K-RAS基因的檢測[58]Fig.2 Construction of electrochemiluminescence biosensor based on sulfur-doped carbon nitride quantum dots for K-RAS gene detection[58]

2.2 作為共反應(yīng)試劑

一些量子點(diǎn)的表面帶有特定的功能基團(tuán)，能夠作為活性位點(diǎn)催化ECL過程，因此這些量子點(diǎn)能夠被用作共反應(yīng)試劑。例如，石墨烯量子點(diǎn)表面有氧原子[59]，許多研究表明大多數(shù)含氧的化合物（如乙醇）能夠作為ECL共反應(yīng)試劑[40，60]。Qi等[61]以石墨烯量子點(diǎn)為Ru(bpy)32+的共反應(yīng)試劑，增強(qiáng)Ru(bpy)32+的陽極ECL信號(hào)，并探究了Ru(bpy)32+/GQDs體系的ECL機(jī)理（如圖3）。氮化硼量子點(diǎn)帶有氨基，Xing等[62]以氮化硼量子點(diǎn)為Ru(bpy)32+的共反應(yīng)試劑，比起Ru(bpy)32+單獨(dú)存在時(shí)，ECL信號(hào)增強(qiáng)了400倍，該研究基于多巴胺對(duì)Ru(bpy)32+的猝滅作用構(gòu)建ECL傳感平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多巴胺的檢測（如圖4）。Dong等[63]以CdSe量子點(diǎn)作為Ru(bpy)32+的共反應(yīng)試劑，將CdSe量子點(diǎn)修飾在電極表面，發(fā)夾DNA與量子點(diǎn)連接，Ru(bpy)32+通過靜電作用嵌入發(fā)夾DNA的環(huán)部，目標(biāo)DNA能夠打開發(fā)夾DNA的環(huán)部，釋放Ru(bpy)32+，從而使ECL信號(hào)減小，基于此該ECL生物傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)DNA的靈敏檢測。Zhang等[64]以黑磷量子點(diǎn)作為Ru(bpy)32+的共反應(yīng)試劑增強(qiáng)其陽極ECL信號(hào)，與沒有共反應(yīng)試劑相比Ru(bpy)32+的ECL信號(hào)增強(qiáng)了三個(gè)數(shù)量級(jí)，該體系能夠用于多巴胺的靈敏檢測，檢測限為22 pmol/L。

圖3 石墨烯量子點(diǎn)作為Ru(bpy)32+的共反應(yīng)試劑靈敏檢測氯苯酚[61]Fig.3 A facile method to sensitively monitor chlorinated phenols based onRu(bpy)32+electrochemiluminescent system using graphene quantum dots as coreactants[61]

圖4 氮化硼量子點(diǎn)作為Ru(bpy)32+的共反應(yīng)試劑[62]Fig.4 Boron nitride quantum dots as efficient coreactant for enhanced electrochemiluminescence of Ru(bpy)32+[62]

2.3 作為共反應(yīng)促進(jìn)劑

除了能夠作為發(fā)光體和共反應(yīng)試劑，也有研究報(bào)道將量子點(diǎn)作為共反應(yīng)促進(jìn)劑構(gòu)建傳感器。

如Liu等[65]合成了石墨烯量子點(diǎn)-CdS納米晶（GQDs-CdS NCs），由于石墨烯量子點(diǎn)的摻雜，GQDs-CdS NCs的ECL信號(hào)比起純CdS NCs增強(qiáng)了5倍。以H2O2為共反應(yīng)試劑，基于五氯苯酚（PCP）的猝滅作用構(gòu)建ECL傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)PCP的靈敏檢測，檢測限低至3 pg/mL（如圖5）。

圖5 GQDs增強(qiáng)CdS NCs用于PCP的靈敏檢測[65]Fig.5 Graphene quantum dots enhanced electrochemiluminescence of cadmium sulfide nanocrystals for ultrasensitive determination of pentachlorophenol[65]

3 結(jié)論和展望

量子點(diǎn)獨(dú)特的電化學(xué)性質(zhì)和光物理性質(zhì)賦予了其極大的應(yīng)用潛力。在生物分析領(lǐng)域，近年來基于量子點(diǎn)構(gòu)建ECL傳感器檢測各種生物標(biāo)志物的研究層出不窮。臨床診斷和工業(yè)分析的需求將繼續(xù)推動(dòng)基于量子點(diǎn)的ECL生物分析技術(shù)的發(fā)展。

盡管量子點(diǎn)在生物分析領(lǐng)域具有巨大的前景，但也面臨著一些重大的挑戰(zhàn)。第一，量子點(diǎn)的ECL效率相對(duì)較低，且重金屬量子點(diǎn)具有毒性。因此，急需尋找環(huán)境友好且發(fā)光效率高的新型量子點(diǎn)。第二，構(gòu)建新穎的量子點(diǎn)/生物分子雜交體系作為探針用于ECL生物分析。第三，將基于量子點(diǎn)的生物分析方法整合到各種流動(dòng)注射體系和微流控芯片當(dāng)中，研究新的電子和光電子器件，以期實(shí)現(xiàn)簡單、成本低廉、快速、自動(dòng)、可視化的多通道檢測。第四，將量子點(diǎn)應(yīng)用于體內(nèi)生物成像和生物檢測以及胞內(nèi)過程的體外探測，應(yīng)用于單個(gè)粒子、單個(gè)細(xì)胞甚至單個(gè)分子的ECL檢測。第五，由于選擇性和重現(xiàn)性較差，目前基于量子點(diǎn)的ECL分析方法仍然難以與酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)金標(biāo)準(zhǔn)和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)相媲美。為了拓展其實(shí)際應(yīng)用，未來的研究還需進(jìn)一步努力。