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。量子點的性質(zhì)可以概括以下幾點。（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[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）通常為無機材料，在相對苛刻的條件下也能具有很強的發(fā)光能力[13,19]?？偟膩碚f，量子點最獨特的性質(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)被報道[23-24]，但對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，如無需光源，能夠精確控制發(fā)光過程的電位、時間，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)一系列量子點具有ECL現(xiàn)象[31-36]。之后，南京大學(xué)鞠愰先課題組報道了首個基于量子點的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，隨后研究者們對于量子點的ECL性質(zhì)和各種量子點（如ⅡB-ⅥA，ⅢA-ⅤA和ⅣA-ⅥA）在ECL生物分析中的實際應(yīng)用開展了大量的研究。

1 量子點的ECL性質(zhì)和機理

量子點的ECL特性主要基于其電化學(xué)和光物理性質(zhì)。量子點發(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)的觀點認(rèn)為，一個量子點可以劃分為兩個晶體區(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，未配對的電子、懸空鍵和晶體缺陷等的存在，使得離子處于不對稱的環(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)和能級分布。量子點的比表面積很大，其表面原子決定了其表面能級，而其核心部分的帶隙比表面態(tài)的能級分離大得多。因此，量子點的光物理性質(zhì)理論上應(yīng)該與帶隙和表面態(tài)都有關(guān)[39]。

1.1 量子點的ECL性質(zhì)

量子點的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，量子點的ECL是一個電驅(qū)動、依賴電壓的過程，載流子在量子點和電極/共反應(yīng)試劑之間通過表面態(tài)運動。增加掃描電壓時，由于表面態(tài)通常比核心部分的能量更低，它們首先會被電極/共反應(yīng)試劑的載流子占據(jù)，產(chǎn)生表面態(tài)ECL。進一步增大施加的電壓，載流子將注入量子點更高能級的核心部分，產(chǎn)生帶隙ECL發(fā)射。

實際上，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)計量比或者在量子點表面設(shè)計特定的基團。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的表面。例如，形成核-殼結(jié)構(gòu)可以抑制量子點的表面態(tài)。另外，殼的組成和數(shù)量也可以進一步調(diào)節(jié)量子點的ECL發(fā)射波長和強度[41-43]。摻雜的量子點（如摻Se，Mn，Co和Eu的量子點）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)為載流子運動是通過表面態(tài)進行的，所以表面態(tài)型被認(rèn)為是量子點ECL的主要類型，其與帶隙型ECL相比也有許多優(yōu)勢。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)移動力學(xué)。而且，表面態(tài)型ECL的信號出現(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，從而實現(xiàn)低電壓下的靈敏分析應(yīng)用。

1.2 量子點的ECL機理

量子點的ECL機理包括常規(guī)的湮滅型和共反應(yīng)型[44]。在首個關(guān)于量子點ECL報道中[31]，硅量子點的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，對電極表面的量子點進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需要很高的過電勢來克服量子點的表面能，這進一步限制了它的實際應(yīng)用。因而，當(dāng)前量子點的ECL應(yīng)用幾乎全部基于強度更高的共反應(yīng)型ECL。在共反應(yīng)途徑中，量子點和共反應(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，動力學(xué)和電化學(xué)性能快，ECL背景信號低。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)途徑確實能夠?qū)崿F(xiàn)更高效和靈敏的ECL發(fā)射，實際應(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可以進一步分為“氧化-還原型”ECL和“還原-氧化型”ECL。

2 基于量子點的ECL傳感器

如前所述，由于尺寸、結(jié)構(gòu)和組成的可控性，量子點在生物分析應(yīng)用中具有的巨大潛力。對于基于量子點的ECL生物分析，該文從量子點作為ECL發(fā)光體、共反應(yīng)試劑和共反應(yīng)促進三個方面展開。

2.1 作為發(fā)光體

自從2002年硅量子點的ECL現(xiàn)象被報道以來，關(guān)于量子點的ECL的研究越來越多，如CdTe量子點，CdSe量子點，PbS量子點[47-49]?；诹孔狱c為ECL發(fā)光體構(gòu)建生物傳感器的研究不計其數(shù)，如朱俊杰課題組[50]以CdSe/ZnS量子點為發(fā)光體，利用兩種抗凝血酶適配體構(gòu)建了一個簡單的夾心型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量子點為發(fā)光體結(jié)合鋅離子驅(qū)動的DNA滾輪機器構(gòu)建生物傳感器用于microRNA-21的檢測，Sun等[53]以CdTe量子點為發(fā)光體，合成了三維的CdTe QDs-DNA納米矩陣作為信號探針，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。朱俊杰課題組[54]以Si量子點為發(fā)光體，基于Si量子點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量子點為發(fā)光體結(jié)合適配體識別驅(qū)動的目標(biāo)物循環(huán)同步滾環(huán)擴增放大策略構(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量子點為發(fā)光體結(jié)合DNA納米機器構(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]以價格低廉、環(huán)境友好、光電性能優(yōu)異的SnO2量子點作為發(fā)光體，通過三種共反應(yīng)促進劑（MnO2納米花、Ag納米粒子和hemin-G四分體）的協(xié)同作用增強量子點的ECL強度，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（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（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的表面態(tài)，產(chǎn)生新的元素空穴。實驗結(jié)果表明，該量子點的ECL效率達到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。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（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

一些量子點的表面帶有特定的功能基團，能夠作為活性位點催化ECL過程，因此這些量子點能夠被用作共反應(yīng)試劑。例如，石墨烯量子點表面有氧原子[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]以石墨烯量子點為Ru(bpy)32+的共反應(yīng)試劑，增強Ru(bpy)32+的陽極ECL信號，并探究了Ru(bpy)32+/GQDs體系的ECL機理（如圖3）。氮化硼量子點帶有氨基，Xing等[62]以氮化硼量子點為Ru(bpy)32+的共反應(yīng)試劑，比起Ru(bpy)32+單獨存在時，ECL信號增強了400倍，該研究基于多巴胺對Ru(bpy)32+的猝滅作用構(gòu)建ECL傳感平臺實現(xiàn)對多巴胺的檢測（如圖4）。Dong等[63]以CdSe量子點作為Ru(bpy)32+的共反應(yīng)試劑，將CdSe量子點修飾在電極表面，發(fā)夾DNA與量子點連接，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信號減小，基于此該ECL生物傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)DNA的靈敏檢測。Zhang等[64]以黑磷量子點作為Ru(bpy)32+的共反應(yīng)試劑增強其陽極ECL信號，與沒有共反應(yīng)試劑相比Ru(bpy)32+的ECL信號增強了三個數(shù)量級，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)促進劑

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

如Liu等[65]合成了石墨烯量子點-CdS納米晶（GQDs-CdS NCs），由于石墨烯量子點的摻雜，GQDs-CdS NCs的ECL信號比起純CdS NCs增強了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傳感器實現(xiàn)對PCP的靈敏檢測，檢測限低至3 pg/mL（如圖5）。

圖5 GQDs增強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

量子點獨特的電化學(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)推動基于量子點的ECL生物分析技術(shù)的發(fā)展。

盡管量子點在生物分析領(lǐng)域具有巨大的前景，但也面臨著一些重大的挑戰(zhàn)。第一，量子點的ECL效率相對較低，且重金屬量子點具有毒性。因此，急需尋找環(huán)境友好且發(fā)光效率高的新型量子點。第二，構(gòu)建新穎的量子點/生物分子雜交體系作為探針用于ECL生物分析。第三，將基于量子點的生物分析方法整合到各種流動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，以期實現(xiàn)簡單、成本低廉、快速、自動、可視化的多通道檢測。第四，將量子點應(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)用于單個粒子、單個細(xì)胞甚至單個分子的ECL檢測。第五，由于選擇性和重現(xiàn)性較差，目前基于量子點的ECL分析方法仍然難以與酶聯(lián)免疫吸附試驗金標(biāo)準(zhǔn)和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)相媲美。為了拓展其實際應(yīng)用，未來的研究還需進一步努力。