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(shì)，一方面具有化學(xué)發(fā)光無(wú)需激發(fā)光源、背景信號(hào)低的優(yōu)點(diǎn)，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(guò)程時(shí)空可控. 因此，ECL 分析具有更低的檢測(cè)限和更寬的線性范圍，是當(dāng)前生化分析領(lǐng)域最先進(jìn)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(jìn)方向，為疾病的快速、準(zhǔn)確診斷提供了強(qiáng)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(wèn)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(zhǎng)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(qiáng)測(cè)量發(fā)展為綜合了光強(qiáng)、電位及光譜等信息的多維測(cè)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(shí)檢測(cè)的實(shí)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(shí)的ECL信號(hào)（如發(fā)光波長(zhǎng)、起光電位等）.

量子點(diǎn)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(diǎn)具有寬帶吸收、窄帶發(fā)射及波長(zhǎng)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(diǎn)合成化學(xué)和光譜學(xué)的發(fā)展，量子點(diǎn)的發(fā)光性能不斷得到提升［15］. 高質(zhì)量的量子點(diǎn)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(diǎn)可溶液加工的性質(zhì)使研究人員可針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，從而滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際要求. 鑒于量子點(diǎn)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(bào)道硅量子點(diǎn)的ECL性質(zhì)以來(lái)，量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光雖然取得了一定的研究進(jìn)展，但量子點(diǎn)作為一種理想發(fā)光探針的優(yōu)勢(shì)尚未得到充分體現(xiàn)，其ECL效率遠(yuǎn)未達(dá)到“理想發(fā)光材料”的預(yù)期.

與光致發(fā)光（PL）過(guò)程一致，量子點(diǎn)的ECL同樣源于激發(fā)態(tài)量子點(diǎn)內(nèi)部電子-空穴對(duì)（激子）的輻射復(fù)合. 因此，量子點(diǎn)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(diǎn)表面由外至內(nèi)注入電子和空穴，這就要求量子點(diǎn)兼顧“電荷注入”效率與“激子復(fù)合”效率. 研究量子點(diǎn)的電荷注入和輻射復(fù)合過(guò)程，是理解量子點(diǎn)ECL過(guò)程的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)高效量子點(diǎn)ECL分析的前提.

1 量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光機(jī)理研究

受量子限域效應(yīng)的影響，量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出明顯的尺寸相關(guān)性. 通過(guò)調(diào)節(jié)尺寸即可實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)的調(diào)控，天然具備構(gòu)建波長(zhǎng)分辨多色電化學(xué)發(fā)光體系的優(yōu)勢(shì)［20，21］. 另一方面，量子點(diǎn)表面原子占總原子數(shù)的比例隨量子點(diǎn)尺寸的減小而迅速增大，使量子點(diǎn)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(duì)于量子點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光應(yīng)用來(lái)說(shuō)，量子點(diǎn)的獨(dú)特性質(zhì)使其具有與分子體系不同的電化學(xué)發(fā)光機(jī)理和過(guò)程，主要表現(xiàn)為缺陷態(tài)對(duì)量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)的影響［18］.

與光致發(fā)光過(guò)程不同，量子點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光需要由外界經(jīng)量子點(diǎn)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(jí)會(huì)降低電子和空穴的注入效率，影響量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光的激發(fā)態(tài)生成過(guò)程［18］. 此外，與光致發(fā)光過(guò)程一致，缺陷態(tài)的存在會(huì)影響量子點(diǎn)的輻射復(fù)合過(guò)程. 缺陷能級(jí)可以捕獲激發(fā)態(tài)的電子或空穴，降低量子點(diǎn)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(duì)量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)的影響尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，文獻(xiàn)報(bào)道中存在一些不互洽的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象導(dǎo)致量子點(diǎn)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(qiáng)量子點(diǎn)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(diǎn)電化學(xué)發(fā)光模式均有報(bào)道［18］. 因此，理解量子點(diǎn)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(diǎn)電化學(xué)發(fā)光機(jī)理的重要組成部分，決定了量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光的發(fā)展方向，也是實(shí)現(xiàn)高效量子點(diǎn)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(duì)應(yīng)關(guān)系，量子點(diǎn)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(jià)帶頂空穴形成的電子-空穴對(duì)）的輻射復(fù)合；而后者的光譜相對(duì)于熒光光譜呈現(xiàn)紅移和展寬，發(fā)光來(lái)自于缺陷態(tài)能級(jí)的發(fā)射.2002年，Bard課題組［19］首次報(bào)道了Si量子點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，開(kāi)啟了量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光研究的序幕. 隨后他們對(duì)CdSe［22］，CdSe/ZnSe［23］，CdTe［24］和Ge［25］量子點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行了深入研究. 在CdSe量子點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光研究中，首次觀察到量子點(diǎn)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(diǎn)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(zhǎng)波方向有明顯拖尾［圖3（A）藍(lán)色虛線部分］，說(shuō)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(diǎn)僅在750 nm附近有1個(gè)小峰，較熒光光譜紅移約200 nm，表明該CdSe量子點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光源于表面缺陷態(tài)能級(jí)的發(fā)射，而非量子點(diǎn)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(diǎn)［23］以及CdTe量子點(diǎn)［24］的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，并首次觀察到量子點(diǎn)的本征態(tài)電化學(xué)發(fā)光，證明量子點(diǎn)同時(shí)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(diǎn)為例，核/殼結(jié)構(gòu)有利于隔離激子與量子點(diǎn)的表面缺陷，降低表面缺陷對(duì)激發(fā)態(tài)光學(xué)性質(zhì)的影響. 外延生長(zhǎng)ZnSe 殼層后，CdSe/ZnSe 量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度較CdSe 量子點(diǎn)有顯著提升［圖4（A）］，實(shí)驗(yàn)中可同時(shí)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(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)研究［24］，作者認(rèn)為與熒光過(guò)程相比，量子點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光過(guò)程對(duì)表面缺陷的存在更加敏感，量子點(diǎn)的本征態(tài)電化學(xué)發(fā)光需要高度鈍化量子點(diǎn)表面以消除表面缺陷能級(jí).

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(duì)量子點(diǎn)電荷注入過(guò)程的影響

關(guān)于量子點(diǎn)光致發(fā)光的研究［26］證實(shí)，缺陷態(tài)的存在會(huì)降低激發(fā)態(tài)量子點(diǎn)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(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光. 例如，基于量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光對(duì)表面缺陷更加敏感的特性，量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光可用于重金屬離子的高靈敏檢測(cè)［27～30］. 由于重金屬離子對(duì)巰基配體的配位能力強(qiáng)于量子點(diǎn)，重金屬離子的存在會(huì)奪取量子點(diǎn)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(qiáng)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(hù)的量子點(diǎn)，可用于Cu2+［27～29］、Hg2+［28］和Pb2+［30］等重金屬離子的檢測(cè).

然而，在量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光研究中，一些研究報(bào)道缺陷態(tài)對(duì)量子點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光有促進(jìn)作用. 由于電化學(xué)發(fā)光與光致發(fā)光過(guò)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(diǎn)輻射復(fù)合效率的降低，故缺陷態(tài)對(duì)量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光的促進(jìn)作用應(yīng)源于對(duì)量子點(diǎn)電荷注入過(guò)程的影響（即電化學(xué)發(fā)光的激發(fā)過(guò)程）. 如，Ju等［31］報(bào)道以2，3-二巰基丁二酸（DMSA）為表面配體的CdTe量子點(diǎn)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(wú)法有效保護(hù)量子點(diǎn)表面的所有位點(diǎn)，故合成得到的CdTe量子點(diǎn)具有大量表面缺陷. 由于表面缺陷的能級(jí)位置較低，DMSA保護(hù)的CdTe量子點(diǎn)在?0.59 V（vs. Ag/AgCl）即觀察到電化學(xué)發(fā)光信號(hào). Liu等［32］研究了具有晶格層錯(cuò)的纖鋅礦型ZnSe量子點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光電位顯著提前.

鄒桂征課題組通過(guò)“反離子吸附”的方式對(duì)CdTe/CdS核/殼量子點(diǎn)［33］以及CdTe/ZnSe核/殼量子點(diǎn)［34］的電化學(xué)發(fā)光電位、強(qiáng)度和光譜等性質(zhì)進(jìn)行了調(diào)控. 以CdTe/CdS核/殼量子點(diǎn)為例，先將量子點(diǎn)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(diǎn)表面的Cd2+或S2?位點(diǎn)，最后研究了量子點(diǎn)修飾電極的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，并與未處理的量子點(diǎn)修飾電極（CdTe/CdS＠GCE）作對(duì)比［圖5（A）］. 結(jié)果表明，經(jīng)Na2S 處理后，CdTe/CdS 核/殼量子點(diǎn)（CdTe/CdS/S2?＠GCE）的電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)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(diǎn)（CdTe/CdS/Cd2+＠GCE）的電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度略有增加，同時(shí)光譜紅移約2 nm［圖5（B）］. CdTe/ZnSe 核/殼量子點(diǎn)的研究結(jié)果與CdTe/CdS 核/殼量子點(diǎn)類似，量子點(diǎn)表面吸附Cd2+與Zn2+對(duì)電化學(xué)發(fā)光有增強(qiáng)作用，并使電化學(xué)發(fā)光電位提前；而表面吸附S2-對(duì)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(shuō)明，量子點(diǎn)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(duì)量子點(diǎn)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(diǎn)電化學(xué)發(fā)光領(lǐng)域?qū)@一問(wèn)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(wèn)題的原因主要有2點(diǎn). 首先，用于電化學(xué)發(fā)光機(jī)理研究的量子點(diǎn)體系各不相同，量子點(diǎn)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(duì)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(diǎn)缺少必要的光譜學(xué)表征. 當(dāng)前量子點(diǎn)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(qiáng)度及光譜）的測(cè)量. 而量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得傳統(tǒng)研究方法無(wú)法全面且準(zhǔn)確地揭示量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，未來(lái)量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光研究需要結(jié)合量子點(diǎn)光譜學(xué)的研究手段，從多個(gè)角度全面研究量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光的過(guò)程和機(jī)理. 如，時(shí)間分辨熒光光譜可表征量子點(diǎn)激發(fā)態(tài)的輻射和非輻射復(fù)合的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，直接反映量子點(diǎn)表面缺陷的種類和數(shù)量［35］.時(shí)間分辨熒光光譜與量子點(diǎn)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(diǎn)提供必要的光學(xué)性質(zhì)表征，也有利于揭示量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光與表面缺陷的關(guān)系，在量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光機(jī)理研究中有重要作用.

2 水相量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光體系

有機(jī)相量子點(diǎn)的電化學(xué)研究為解釋量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光機(jī)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(jìn)行，這就要求量子點(diǎn)必須具有良好的水分散性. 2004年，鞠火晃先課題組［36］首次報(bào)道了水溶液中CdSe 量子點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)并將其應(yīng)用于H2O2分子的檢測(cè). 然而，受限于量子點(diǎn)的合成方法，早期的水相量子點(diǎn)體系往往存在大量缺陷態(tài)，量子點(diǎn)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(qiáng)測(cè)量［37～41］. 隨著量子點(diǎn)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(diǎn)體系被相繼報(bào)道. 這些量子點(diǎn)合成方法學(xué)的建立對(duì)量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光機(jī)理研究以及水相量子點(diǎn)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(hù)的量子點(diǎn)體系

鄒桂征課題組在量子點(diǎn)的水相合成過(guò)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(hù)的水相量子點(diǎn)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(diǎn)［49］的合成. 所得到的量子點(diǎn)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(diǎn)）［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(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)分辨多色量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光分析的前提. 基于雙配體保護(hù)的量子點(diǎn)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(diǎn)電化學(xué)發(fā)光的讀出信號(hào)，在原有的電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)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(hù)的CdTe量子點(diǎn)為例，將捕獲抗體固定于電極表面并將CdTe量子點(diǎn)與檢測(cè)抗體相連，當(dāng)抗原分子存在時(shí)，捕獲抗體、抗原以及量子點(diǎn)修飾的檢測(cè)抗體發(fā)生免疫識(shí)別反應(yīng)形成“三明治”夾心結(jié)構(gòu)從而將量子點(diǎn)“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(qiáng)度和光譜作為讀出信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)甲胎蛋白（AFP）的高靈敏檢測(cè)［44］. 類似地，以雙配體保護(hù)的CdZnSe量子點(diǎn)［48］和CdSe量子點(diǎn)［47］為電化學(xué)發(fā)光體，分別建立了針對(duì)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(zhǎng)的量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光光譜免疫分析為實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)分辨多靶標(biāo)同時(shí)檢測(cè)奠定了基礎(chǔ). 分別以CdTe量子點(diǎn)（λmax=776 nm，CdTe776）和CdSe量子點(diǎn)（λmax=550 nm，CdSe550）修飾不同的檢測(cè)抗體，由電化學(xué)發(fā)光光譜即可區(qū)分不同抗原所對(duì)應(yīng)的電化學(xué)發(fā)光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了癌胚抗原（CEA）和甲胎蛋白（AFP）的同時(shí)檢測(cè)［50］. 進(jìn)一步引入小尺寸的CdTe量子點(diǎn)（λmax=650 nm，CdTe650），鄒桂征課題組［51］在500～900 nm 的光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了3 種量子點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光光譜分辨，并以此為基礎(chǔ)實(shí)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(shí)檢測(cè)（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(diǎn)

在量子點(diǎn)表面外延生長(zhǎng)具有較大禁帶寬度的無(wú)機(jī)殼層可有效隔離量子點(diǎn)的激子與表面缺陷，減少表面缺陷與外界環(huán)境對(duì)量子點(diǎn)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(diǎn)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(jī)相CdSe/ZnSe核/殼量子點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)研究中已證明，外延生長(zhǎng)ZnSe殼層可有效提高CdSe量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率并使量子點(diǎn)表現(xiàn)出本征態(tài)電化學(xué)發(fā)光性質(zhì). Mei等［29］首次報(bào)道了以巰基丙酸（MPA）作配體的水相CdTe/CdS核/殼量子點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光. 以三丙胺（TPrA）為共反應(yīng)劑，量子點(diǎn)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(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)被相繼報(bào)道，其中以CdSe/ZnS核/殼量子點(diǎn)的研究最為廣泛.

Wang等［56］研究了羧基化聚乙二醇保護(hù)的水溶性CdSe/ZnS核/殼量子點(diǎn)（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(diǎn)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(diǎn)同時(shí)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(jī)相CdSe/ZnS 核/殼量子點(diǎn)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(diǎn)（CdSe/ZnS/DAET），隨后將量子點(diǎn)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(diǎn)不同，CdSe/ZnS/DAET量子點(diǎn)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(zhǎng)波方向無(wú)明顯展寬［圖7（B）］. 以上對(duì)比結(jié)果說(shuō)明，即使同為CdSe/ZnS核/殼量子點(diǎn)，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(diǎn)表現(xiàn)出截然不同的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì). 在量子點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光研究中需要同時(shí)考察量子點(diǎn)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(diǎn)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(duì)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(diǎn)

在核/殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)的表面進(jìn)一步外延生長(zhǎng)新的無(wú)機(jī)殼層可得核/殼/殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn). 韓鶴友課題組［57］在CdTe/CdS核/殼量子點(diǎn)表面外延生長(zhǎng)ZnS殼層后，量子點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度提高了9倍，證明了核/殼/殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)在電化學(xué)發(fā)光應(yīng)用中的潛在優(yōu)勢(shì). 朱俊杰課題組［58］報(bào)道了CdSeTe/CdS/ZnS核/殼/殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)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(duì)于核/殼/殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)，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(diǎn)表面直接外延生長(zhǎng)ZnS 殼層將產(chǎn)生晶格缺陷，導(dǎo)致量子點(diǎn)光學(xué)性質(zhì)的下降，故必須引入CdS 作為中間過(guò)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(diǎn)內(nèi)部. 對(duì)比CdSeTe/CdS核/殼量子點(diǎn)，CdSeTe/CdS/ZnS 核/殼/殼量子點(diǎn)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(diǎn)良好的光學(xué)性質(zhì)和電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，該工作實(shí)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(diǎn)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(shí)，量子點(diǎn)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(diǎn)的發(fā)射光譜與金納米棒的消光光譜重疊，量子點(diǎn)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(shí)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(shì)［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(duì)量子點(diǎn)無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)界面和無(wú)機(jī)-有機(jī)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(shí)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(diǎn)的可控合成. 該工作采用有機(jī)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(diǎn). 高沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑（十八烯）可以保證量子點(diǎn)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(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)表面親疏水性的轉(zhuǎn)換，在不改變量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的前提下使量子點(diǎn)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(duì)比了CdSe、CdSe/CdS核/殼重子點(diǎn)以及CdSe/CdS/ZnS 核/殼/殼量子點(diǎn)的熒光和電化學(xué)發(fā)光性質(zhì). 3 種量子點(diǎn)在有機(jī)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(diǎn)發(fā)光，CdSe量子點(diǎn)轉(zhuǎn)移至水相后熒光量子產(chǎn)率幾乎為0，并且無(wú)任何電化學(xué)發(fā)光信號(hào)；CdSe/CdS核/殼量子點(diǎn)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(zhǎng)波方向略有展寬，表明單一CdS殼層不能為水相量子點(diǎn)提供充足的保護(hù)作用. 而CdSe/CdS/ZnS 核/殼/殼量子點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)在電化學(xué)發(fā)光領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢(shì). 此外，通過(guò)調(diào)節(jié)CdSe核與CdS殼層的尺寸即可實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)的調(diào)控，在500～700 nm光譜范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠三色混合量子點(diǎn)體系的電化學(xué)發(fā)光信號(hào)的波長(zhǎng)和電位分辨（圖10）. 該工作證明了量子點(diǎn)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(diǎn)電化學(xué)發(fā)光機(jī)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(jìn)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(shí)檢測(cè)能力. 與傳統(tǒng)電化學(xué)發(fā)光分子相比，量子點(diǎn)在發(fā)光效率、光譜以及發(fā)光信號(hào)調(diào)制（如波長(zhǎng)、電位分辨）等方面均有顯著優(yōu)勢(shì). 隨著量子點(diǎn)合成化學(xué)與電化學(xué)發(fā)光機(jī)理研究的不斷深入，量子點(diǎn)有望成為新一代的電化學(xué)發(fā)光探針，極大地推動(dòng)電化學(xué)發(fā)光在免疫分析、分子診斷等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用.

我們認(rèn)為，下一階段量子點(diǎn)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(gè)學(xué)科的交叉融合，即以高質(zhì)量的量子點(diǎn)為基礎(chǔ)，結(jié)合時(shí)間分辨光譜、單分子光譜等光譜學(xué)研究手段探究量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光的機(jī)理和過(guò)程，為量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光應(yīng)用提供切實(shí)可靠的理論指導(dǎo)，并在理論研究成果的指導(dǎo)下推動(dòng)量子點(diǎn)合成化學(xué)的發(fā)展. 因此，未來(lái)研究將聚焦于量子點(diǎn)本征態(tài)電化學(xué)發(fā)光的機(jī)理與量子點(diǎn)在電化學(xué)發(fā)光過(guò)程中的行為，包括缺陷態(tài)與量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)的關(guān)系、電化學(xué)發(fā)光過(guò)程中的電荷注入過(guò)程以及單量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光.

3.1 缺陷態(tài)對(duì)量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)的影響

對(duì)于量子點(diǎn)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(diǎn)電化學(xué)發(fā)光領(lǐng)域尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，缺陷態(tài)對(duì)量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光的淬滅及增強(qiáng)作用均有報(bào)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(diǎn)，即作為“參照系”的對(duì)照組量子點(diǎn)本身具有較多缺陷以及量子點(diǎn)缺乏必要的光譜學(xué)表征.因此，明辨缺陷態(tài)對(duì)量子點(diǎn)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(diǎn)作為電化學(xué)發(fā)光機(jī)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(duì)電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)的影響.

顯然，解決量子點(diǎn)本征態(tài)與缺陷態(tài)電化學(xué)發(fā)光的爭(zhēng)論是指導(dǎo)量子點(diǎn)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(diǎn)的合成方向，即合成具有特定缺陷態(tài)的量子點(diǎn)或光學(xué)性質(zhì)趨于“完美”的量子點(diǎn).

3.2 量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光的電荷注入過(guò)程

與熒光過(guò)程不同，電化學(xué)發(fā)光要求量子點(diǎn)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(diǎn)產(chǎn)生高效電化學(xué)發(fā)光的必要條件，而電荷注入過(guò)程決定了量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光的激發(fā)效率. 在CdSe/CdS/ZnS核/殼/殼量子點(diǎn)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(diǎn)外延生長(zhǎng)ZnS殼層后起光電位僅延后40 mV，即外延生長(zhǎng)高禁帶寬度的ZnS殼層不會(huì)顯著影響量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光的電荷注入過(guò)程［59］. 然而，現(xiàn)有的研究結(jié)果仍無(wú)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(diǎn)內(nèi)部形成激子.

另一方面，量子點(diǎn)很容易得到多個(gè)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(diǎn)的電荷注入過(guò)程是揭示量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光的激子態(tài)種類、提高量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光效率的關(guān)鍵.

3.3 單量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光

由于量子點(diǎn)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(diǎn)研究可有效避免溶液集合體研究中不同量子點(diǎn)間光學(xué)性質(zhì)平均化的問(wèn)題，是揭示量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光機(jī)理的重要研究手段. 對(duì)于量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光分析應(yīng)用來(lái)說(shuō)，單量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光測(cè)量代表了量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光分析的檢測(cè)極限（即單個(gè)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(cè)限方面的巨大優(yōu)勢(shì).

綜上，合成高質(zhì)量、高發(fā)光效率的量子點(diǎn)是解決上述機(jī)理問(wèn)題的必要條件，也是實(shí)現(xiàn)高靈敏度量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光分析的必然要求. 在量子點(diǎn)的合成過(guò)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(duì)性地設(shè)計(jì)量子點(diǎn)的組成與結(jié)構(gòu). 除量子點(diǎn)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(diǎn)具有良好的水相分散性和穩(wěn)定性，同時(shí)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(guò)程與機(jī)理的理論研究顯得尤為重要. 合成化學(xué)為量子點(diǎn)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(guò)來(lái)指導(dǎo)電化學(xué)發(fā)光量子點(diǎn)的合成，二者相輔相成共同推動(dòng)量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光分析應(yīng)用的發(fā)展.