聶亞敏，柴雅琴，袁 若

（西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶400715）

0 引言

金屬納米簇（metal nanoclusters,NCs)，是由配體和幾個(gè)到幾百個(gè)金屬原子聚集而成的超小金屬納米粒子，其直徑通常小于3 nm[1]。由于其尺寸接近電子的費(fèi)米波長(zhǎng)，使得其表現(xiàn)出完全不同于單獨(dú)的金屬原子和金屬納米顆粒的特殊性能，比如良好的熒光特質(zhì)和優(yōu)異的電催化性能[2]。此外，金屬納米簇具有毒性低，易于合成、尺寸小易于標(biāo)記、生物相容性好、光穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在電致化學(xué)發(fā)光（ECL）領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注[3]。但是，相比于經(jīng)典的ECL發(fā)光體（比如聯(lián)吡啶釕和魯米諾），金屬納米簇的ECL發(fā)光效率相對(duì)比較低，如何設(shè)法提高金屬納米簇的ECL效率，促進(jìn)其在光電子設(shè)備，生物傳感，和生物成像方面的應(yīng)用，是ECL領(lǐng)域目前的研究熱點(diǎn)[4-5]。其中，研究最廣泛的是金屬納米簇共反應(yīng)體系，從ECL發(fā)光機(jī)理而言，金屬納米簇ECL發(fā)光體和其對(duì)應(yīng)的共反應(yīng)試劑，在電化學(xué)刺激作用下，發(fā)生氧化或者還原，產(chǎn)生金屬納米簇陽(yáng)離子自由基或者陰離子自由基和相應(yīng)的共反應(yīng)試劑活性自由基，兩者進(jìn)一步發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)的過程中產(chǎn)生光子[4,6]。因此，金屬納米簇的價(jià)態(tài)，共反應(yīng)試劑活性自由基的產(chǎn)生速率，電子轉(zhuǎn)移的速率，輻射躍遷的效率，都影響著金屬納米簇的ECL效率。從這幾方面出發(fā)，多種ECL金屬納米簇增強(qiáng)機(jī)制被提出，比如功能性配體策略、摻雜離子策略、價(jià)態(tài)調(diào)控策略、自增強(qiáng)策略、共反應(yīng)促進(jìn)劑策略和抑制非輻射躍遷策略。為了深化對(duì)金屬納米簇ECL增強(qiáng)機(jī)制的理解和拓展，該工作將詳細(xì)地概述這幾種增強(qiáng)機(jī)制。

1 功能性配體策略增強(qiáng)金屬納米簇的ECL發(fā)光

配體是金屬納米簇不可分割的成分，其具有調(diào)控光學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定金屬納米簇的作用。迄今為止，多種配體相繼被報(bào)道，比如牛血清白蛋白（BSA）[7]、L-甲硫氨酸（Met）[4]、L-還原型谷胱甘肽（GSH）[8]、DNA[9]、高分子聚合物PAMAM[10]等。從ECL機(jī)理出發(fā)，ECL必須要經(jīng)歷電化學(xué)過程產(chǎn)生電活性中間體，電活性中間體相互作用產(chǎn)生激發(fā)態(tài)發(fā)光體，激發(fā)態(tài)發(fā)光體躍遷回基態(tài)的過程中才能產(chǎn)生光子[11]。因此，配體影響金屬納米簇與共反應(yīng)試劑和電極界面的電子轉(zhuǎn)移速率，從而影響ECL。基于此，如圖1，Yuan課題組[12]提出了以導(dǎo)電性聚合物，聚3，4乙烯二氧噻吩（PEDOT），作為銀納米簇的新型模板。與現(xiàn)存的納米簇模板相比，該模板具有一石三鳥的功能：穩(wěn)定銀納米簇；優(yōu)異的導(dǎo)電性促進(jìn)界面電子的傳輸，快速產(chǎn)生更多的電活性中間體（Ag NCs·-和SO4·-）；更為重要的是，作為共反應(yīng)促進(jìn)劑，促進(jìn)共反應(yīng)試劑（S2O82-）產(chǎn)生更多的氧化型活性自由基SO4·-。該導(dǎo)電性聚合物為模板制備的銀納米簇（PEDOTAg NCs）展示了顯著提高了ECL強(qiáng)度（72.63倍vs BSA-Ag NCs，47.90倍vs GSH-Ag NCs，17.10倍vs電沉積的glycine-Ag NCs）。該工作首次提出導(dǎo)電聚合物作為納米簇模板的新思路，深化了對(duì)金屬納米簇配體對(duì)其ECL響應(yīng)機(jī)制的理解，有利于促進(jìn)其他功能化配體的研究。

圖1 PEDOT-Ag NC及其ECL增強(qiáng)機(jī)制示意圖Fig.1 Schematic illustration of the PEDOT-hosted Ag NCs and the accelerated mechanism for an exceptionally strong ECL performance

2 摻雜離子策略增強(qiáng)金屬納米簇的ECL發(fā)光

摻雜過渡金屬原子到金屬納米簇，形成合金納米簇，由于摻雜金屬原子和主體金屬原子之間的協(xié)同作用，相比于未摻雜的金屬納米簇，這些合金納米簇的催化和光學(xué)性質(zhì)將進(jìn)一步增強(qiáng)。如圖2所示，Wang的課題組[13]合成棒狀A(yù)u12Ag13合金納米簇，以聯(lián)吡啶釕([Ru(bpy)3]2+)作為參比，在湮滅態(tài)條件下，Au12Ag13合金納米簇的ECL信號(hào)比([Ru(bpy)3]2+)高10多倍。在共反應(yīng)型條件下，當(dāng)三丙胺的濃度為1 mmol/L時(shí)，該合金納米簇的ECL信號(hào)比([Ru(bpy)3]2+)高400多倍。該合金納米簇高效的ECL歸因于位于中心位置的第13個(gè)銀原子，使得棒狀A(yù)u12Ag13合金納米簇的核更加直化，有利于穩(wěn)定了最低未占有軌道（LUMO）的電荷。通過飛秒激光光譜學(xué)和密度泛函理論計(jì)算表明，該納米簇的非輻射躍遷減少，因而通過增強(qiáng)輻射躍遷的方式增強(qiáng)其ECL發(fā)光性質(zhì)。此外，2020年，Zhuang等[14]報(bào)道了稀土元素銪（Eu）摻雜的銅納米簇(Eu-Cu NCs)，相比于未摻雜的Cu NCs，該納米簇的ECL強(qiáng)度增強(qiáng)3倍，其原因歸因于摻雜元素Eu的富電子結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了納米簇陰離子自由基Eu3+-Cu NCs·-的穩(wěn)定性。

圖2 (A)Au12Ag13的自湮滅ECL產(chǎn)生過程示意圖；（B）在未進(jìn)行脫氣的環(huán)境下，6μmol/L Au-LA-DEDA NCs，和6μmol/L Ru(bpy)32+分別在含有1 mmol/L TPrA或者0.1 mmol/L TPrA的pH8.5的0.2 mol/L PBS的ECL響應(yīng)Fig.2 (A)Schematic of the self-annihilation ECL generation from Au12Ag13;(B)ECL intensity of 6μmol/L Au-LADEDA NCs,6μmol/L Ru(bpy)32+in the presence of 1 or 0.1 mmol/L of TPrA in 0.2 mol/L PBS,pH8.5 under ambient conditions without degassing

3 價(jià)態(tài)調(diào)控策略增強(qiáng)金屬納米簇的ECL發(fā)光

構(gòu)成金屬納米簇的金屬原子的價(jià)態(tài)，影響金屬納米簇得到或者失去電子的能力，對(duì)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)生高能激發(fā)態(tài)過程起著關(guān)鍵作用，這種影響被稱為價(jià)態(tài)效應(yīng)。比如，金納米簇的金原子通常有Au(I)和Au(0)兩種價(jià)態(tài)。研究表明，價(jià)態(tài)對(duì)于金屬納米簇的ECL效率有很大的影響[15-16]。在N-acetyl-L-cysteine-Au NCs(NAC-AuNCs)/S2O82-陰極體系中，Peng等[15]利用電化學(xué)預(yù)還原的方法，使得Au NCs中大量的Au(I)提前還原為Au(0)，使得NAC-Au NCs的ECL信號(hào)提高了30倍，ECL效率高達(dá)4.11%(圖3A)。并且，通過實(shí)驗(yàn)證明得出還原電位決定Au NCs的電化學(xué)還原程度，并且Au(0)的含量與ECL強(qiáng)度呈正相關(guān)(圖3B)。2019年，該課題組[4]繼續(xù)提出Au NCs/TEA陽(yáng)極體系，通過電極界面預(yù)氧化策略，提高Au(I)的含量，其ECL信號(hào)增強(qiáng)了71倍，ECL量子產(chǎn)率達(dá)到66%（圖3D）。為了證明確實(shí)是Au的氧化態(tài)增強(qiáng)了納米簇的ECL性能，研究者又將預(yù)氧化后的納米簇在-1.5 V還原50 s，預(yù)還原后，其ECL強(qiáng)度幾乎恢復(fù)到最初的信號(hào)（圖3C），證明預(yù)氧化有利于增強(qiáng)納米簇陽(yáng)極體系的ECL性能。更為重要的是，這種策略被成功地?cái)U(kuò)展到其他Au NCs，電子轉(zhuǎn)移速率越好的配體穩(wěn)定納米簇，其增強(qiáng)效果越明顯。此外，Ding的課題組[16]，對(duì)比Au25+,Au250,和Au25-的陽(yáng)極ECL信號(hào)，實(shí)驗(yàn)證明三種物質(zhì)信號(hào)逐漸下降，進(jìn)一步表明金屬納米簇的電荷價(jià)態(tài)影響ECL性能。該策略深化了ECL納米簇發(fā)光機(jī)制，極大地拓寬了它們的潛在應(yīng)用。

圖3 預(yù)還原（A，B）和預(yù)氧化策略（C，D）增強(qiáng)納米簇ECL示意圖Fig.3 Schematic of enhanced ECL performance with pre-reduction(A,B)and pre-oxidation(C,D)strategy

4 自增強(qiáng)策略增強(qiáng)金屬納米簇的ECL發(fā)光

傳統(tǒng)的金屬納米簇共反應(yīng)ECL體系中，金屬納米簇和其對(duì)應(yīng)的共反應(yīng)試劑的相互作用屬于分子間相互作用，通常存在電子轉(zhuǎn)移距離長(zhǎng)、穩(wěn)定性不好、能量損失大的缺點(diǎn)，造成共反應(yīng)試劑與金屬納米簇的作用效率比較低[17]。自增強(qiáng)（self-enhanced）策略是指將ECL發(fā)光體與共反應(yīng)試劑共價(jià)鍵合在同一分子內(nèi)，以此縮短ECL發(fā)光體和共反應(yīng)試劑活性自由基之間的距離，加速自由基與自由基的碰撞幾率，和減少反應(yīng)過程中的能量損失，提高發(fā)光體與共反應(yīng)試劑相互作用效率的策略[18-19]。如圖4，Wang等[13]首次將此概念應(yīng)用于金納米簇ECL信號(hào)增強(qiáng)，具體來(lái)講，將硫辛酸穩(wěn)定的金納米簇（LA-Au NCs）的共反應(yīng)試 劑N,N-二乙基乙二胺（N,Ndiethylethylenediamine，DEDA）通過羧基和氨基交聯(lián)成酰胺鍵的共價(jià)連接方式交聯(lián)到金納米簇表面，形成自增強(qiáng)金屬納米簇A u-LA-DEDA有效縮短ECL發(fā)光過程中的質(zhì)量傳輸，減少電化學(xué)產(chǎn)生的活性中間體自由基的電子轉(zhuǎn)移路徑，使得電活性中間體自由基在有限的壽命內(nèi)快速發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，產(chǎn)生高效ECL。其強(qiáng)度相比于經(jīng)典的聯(lián)吡啶釕-三丙胺（TPrA）體系，分別增強(qiáng)1.4倍（TPrA濃度為1 mmol/L）和17倍（TPrA濃度為0.1 mmol/L）。在該自增強(qiáng)策略增強(qiáng)金屬納米簇ECL信號(hào)的研究基礎(chǔ)上，Wei等[20]進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明共價(jià)鍵合的共反應(yīng)試劑的氧化還原活性與金屬納米簇的匹配程度影響金屬納米簇ECL性能，相比于DEDA，低氧化電位的N,N-二異丙基乙二胺（N,N-diisopropylethylenediamine，DPEA）與金納米簇共價(jià)鍵合形成的自增強(qiáng)納米簇體系，ECL信號(hào)更高效。

圖4 自增強(qiáng)Au-LA-DEDA NCs的ECL發(fā)光機(jī)制示意圖Fig.4 Stepwise ECL generation of self-enhanced Au-LA-DEDA NCs

5 共反應(yīng)促進(jìn)劑策略增強(qiáng)金屬納米簇的ECL發(fā)光

“共反應(yīng)促進(jìn)劑（coreaction accelerator）”的概念是由西南大學(xué)的袁若教授團(tuán)隊(duì)首次提出，共反應(yīng)促進(jìn)劑本身不發(fā)光也不能夠與ECL發(fā)光體相互作用，但能夠與共反應(yīng)試劑相互作用，催化共反應(yīng)試劑生成活性自由基，進(jìn)而通過活性自由基之間的相互作用提高ECL發(fā)光物質(zhì)的發(fā)光強(qiáng)度[21-22]。如圖5，2017年，Yuan課題組[23]提出花狀TiO2作為共反應(yīng)試劑溶解氧（O2）的共反應(yīng)促進(jìn)劑，促進(jìn)O2產(chǎn)生強(qiáng)氧化型中間體自由基OH·，促進(jìn)銀納米簇的ECL發(fā)光，并將其結(jié)合免疫反應(yīng)誘導(dǎo)的3D DNA步行器放大策略，輸出標(biāo)記有猝滅探針二茂鐵的二級(jí)目標(biāo)物，構(gòu)建“signal-off”傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)β淀粉樣蛋白(Aβ)的靈敏檢測(cè)，檢測(cè)限為32 fg/mL。隨后，F(xiàn)e2O3有序納米陣列作為Au NCs/TEA體系的共反應(yīng)促進(jìn)劑[24]、高分支Cu2O作為Au NCs/S2O82-體系的共反應(yīng)促進(jìn)劑[25]，聚L-半胱氨酸作為銅納米簇的模板穩(wěn)定納米簇，同時(shí)作為共反應(yīng)試劑S2O82-的共反應(yīng)促進(jìn)劑[26]，雪花狀Cu2S作為BSA-Au NCs/TEA體系的共反應(yīng)促進(jìn)劑[27]和Pd@CuO作為BSA-Au NCs@tris(3-aminoethyl)amine(TAEA)體系的共反應(yīng)促進(jìn)劑[28]等研究相繼報(bào)道，增強(qiáng)了金屬納米簇體系的ECL性能，拓寬了金屬納米簇在分析傳感等方面的應(yīng)用。未來(lái)的研究工作將圍繞著共反應(yīng)促進(jìn)劑結(jié)構(gòu)對(duì)于催化性能的影響進(jìn)行深入探究，這對(duì)于合理有針對(duì)性地設(shè)計(jì)高活性共反應(yīng)促進(jìn)劑具有十分重要的理論指導(dǎo)意義。

圖5 （A）Ag NCs-TiO2 NFs的制備原理圖，（B）免疫反應(yīng)誘導(dǎo)的DNA納米結(jié)構(gòu)和Fc驅(qū)動(dòng)的光開關(guān)生物檢測(cè)體系對(duì)Aβ的超靈敏檢測(cè)，以及（C）Ag NCs-TiO2 NFs可能的ECL發(fā)射機(jī)制Fig.5 Schematic diagrams showing the preparation of Ag NCs-TiO2 NFs(A),ultrasensitive detection of Aβby combining immunoreaction-induced DNA nanostructure with Fc-driven light switch biodetection(B),and possible ECL emitting mechanism of Ag NCs-TiO2 NFs(C)

6 抑制非輻射躍遷策略增強(qiáng)金屬納米簇的ECL發(fā)光

研究發(fā)現(xiàn)，金屬納米簇的發(fā)光不僅與金屬納米簇的核有關(guān)也與金屬納米簇表面的配體有關(guān)，限制金屬納米簇配體的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠減少非輻射躍遷，從而增強(qiáng)有效輻射躍遷過程，提高金屬納米簇的發(fā)光性能[29-30]。如圖6，Nie等[31]利用配體配位自組裝策略將金屬納米簇直化在金屬有機(jī)框架，限制金屬納米簇配體的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)增強(qiáng)ECL輻射過程。以經(jīng)典的谷胱甘肽穩(wěn)定的金納米簇(GSH-Au NCs)為模型，利用GSH配體中游離的羧基與鋅離子（Zn2+）和2-甲基咪唑（2-MeIM）分子內(nèi)N原子的配位相互作用，將金屬納米簇作為單元之一，利用配位自組裝策略形成多孔金屬有機(jī)框架（GSH-Au NCs@ZIF-8），該策略不僅有效抑制了金納米簇配體的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，減少非輻射躍遷。而且，金納米簇在多孔金屬有機(jī)框架中有序排列，一定程度上減少自猝滅效應(yīng)。更為重要的是，形成的結(jié)構(gòu)是多孔的，有利于共反應(yīng)試劑TEA的富集和電化學(xué)氧化。相比于單純金納米簇固相ECL，該納米簇組裝材料固相ECL效率提高了10倍。作為應(yīng)用，基于蘆丁（rutin）分子對(duì)于該材料的高效猝滅效應(yīng)，構(gòu)建signal off傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)rutin的靈敏檢測(cè)，檢測(cè)限為10 nmol/L，為rutin的靈敏檢測(cè)提供快速響應(yīng)，便捷且成本低的方法。此外，從抑制納米簇配體振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)策略角度出發(fā)，Zou等[32]提出主客體識(shí)別策略抑制金納米簇非輻射過程，提高金納米簇ECL發(fā)光。在該研究中以6-氮雜-2-硫代胸腺嘧啶(ATT)穩(wěn)定的金納米簇（ATT-Au NCs）和L-精氨酸（ARG）為模型，利用ATT-Au NCs表面的配體ATT與ARG的胍基之間通過氫鍵的作用形成剛性超分子結(jié)構(gòu)，極大程度上抑制配體ATT的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，從而顯著增加ATT-Au NCs的ECL信號(hào)強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)ARG/ATT-Au NCs與ATT-Au NCs的形貌、尺寸和熒光光譜幾乎一樣，表明形成剛性超分子結(jié)構(gòu)沒有明顯改變其能級(jí)，其ECL增強(qiáng)來(lái)源于形成剛性超分子結(jié)構(gòu)后有助于抑制非輻射型電荷復(fù)合過程，提高其輻射型電荷復(fù)合效率。類似地，Wang等[29]報(bào)道了金屬離子誘導(dǎo)的聚集誘導(dǎo)增強(qiáng)納米簇ECL發(fā)光，Peng等[5]報(bào)道固相電極聚集誘導(dǎo)金屬納米簇ECL增強(qiáng)策略。

圖6 （A）配位輔助自組裝策略制備GSH-Au NCs@ZIF-8示意圖和ECL增強(qiáng)機(jī)制；（B）構(gòu)建signal off傳感器應(yīng)用于rutin的靈敏檢測(cè)Fig.6 (A)Schematic of the preparation of GSH-Au NCs@ZIF-8 via coordination-assisted self-assembly strategy and the ECL-enhanced mechanism;(B)ECL turn-off strategy for the detection of rutin with GSH-Au NCs@ZIF-8/TEA system

7 總結(jié)

金屬納米簇相較于傳統(tǒng)有機(jī)發(fā)光體和無(wú)機(jī)發(fā)光體，目前仍處于研究前期階段，對(duì)于如何提高其量子產(chǎn)率，有效增強(qiáng)ECL信號(hào)強(qiáng)度是目前乃至往后長(zhǎng)期的研究熱點(diǎn)。該工作對(duì)目前主流的ECL增強(qiáng)機(jī)制進(jìn)行了總結(jié)和歸納，為新的金屬納米簇增強(qiáng)策略提供一定的研究思路，有利于促進(jìn)金屬納米簇在醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全和光電子設(shè)備等方向的應(yīng)用。