电化学发光产率为66%的金纳米团簇探针及其机制研究

来源：研之成理

▲共同第一作者：彭花萍、黄种南；通讯作者：陈伟、刘珏文；

通讯单位：福建医科大学、滑铁卢大学

论文DOI：10.1002/anie.201905007

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通过纳米尺度电化学调控，我们成功制备了电化学发光（ECL）量子产率高达 66 % 的 L-甲硫氨酸稳定的金纳米簇（Met-AuNCs）ECL 探针。通过预氧化策略，能显著增强配体稳定的 AuNCs 阳极 ECL，对各种具有良好的电子转移的配体都有比较好的发光效率提升。本工作同时也揭示了此类金簇 ECL 的本质机理问题，为解决金簇 ECL 的挑战性问题开辟了道路，并丰富了其性能的基础研究，极大地拓展了金簇探针巨大的潜在应用价值。

背景介绍

电化学发光（ECL）是电化学与化学发光相结合的现代分析技术。ECL 具有设备简单、背景低、灵敏度高、检测范围广等优点，在生物分析和临床诊断中具有广泛的应用前景。在 ECL 分析中，探寻性能优良的 ECL 发光体对于改善 ECL 传感器的性能及拓展其应用范围非常关键。在过去的几十年里，从经典的 Ru(bpy)32+ 和鲁米诺，到新兴的纳米材料，如钙钛矿纳米晶体、金属纳米团簇及碳氮化物纳米片，都有了长足的发展。然而，目前大多数 ECL 发光体仍然存在灵敏度低、环境/生物毒性或稳定性差等问题。因此，探索新型高效、生物相容性好的 ECL 发光体对于该领域的发展具有十分重要的意义。

金纳米簇（AuNCs）具有良好的生物相容性、独特的光学和电化学性质、广泛的分子结构和直接电子跃迁特性，在 ECL 领域引起了广泛的关注。目前多种配体稳定的 AuNCs 的 ECL 性能已被陆续研究。例如，在 GSH-AuNCs 上连接硫代乙二醇后，其 ECL 强度增加了 5 倍。与 BSA-AuNCs 相比，Met-AuNCs 具有不同的光谱特征及增强的阴极 ECL 现象。然而，大多数 AuNC ECL 需要有机溶剂，而在水相体系中的研究尚处于起步阶段。此外，对于 AuNC ECL 机制的研究报道也很少，使得该领域的发展受限。

研究出发点

随着在水相中绿色合成荧光 AuNCs 的发展，众多良好亲水性和导电性 AuNCs 被成功制备。受以上工作启发，我们对于开发水相体系中高性能 AuNC ECL 探针也充满兴趣。近年来，我们实现了 AuNCs 在水相中的阴极 ECL，并发现价态在其中起了关键作用。通过纳米尺度价态调控，N-乙酰半胱氨酸-AuNCs（NAC-AuNCs）的 ECL 强度可提高 30 倍，ECL 效率（ΦECL）达 4.11 %。然而，进一步改进 AuNC 探针性能的空间仍然很大，特别是在其 ECL 机制指导下的改进。在 ECL 过程中，电极上的氧化还原反应起着关键作用。在本工作中，我们通过预氧化处理制备了一种 ΦECL 高达 66 % 的 AuNC 探针，该研究为本领域的基础研究和未来工作的改进建立了一种新的机制框架。同时，该研究工作不仅为深入研究 ECL 提供了新的方法，而且为设计和开发新型高性能 ECL 探针开辟了新的途径。

图文解析

我们首先研究了 Met-AuNCs 在玻碳电极（GCE）上的阳极 ECL 性能。循环伏安（CV）和 ECL 研究结果表明 Met-AuNC 与三乙胺（TEA）可以形成以 Met-AuNC 为发光体，TEA 为共反应剂的 ECL 共反应体系（Met-AuNC/TEA）。并且研究发现该发光体系发光电位起始于 0.6 V 附近，ECL 强度在  0.97 V 附近达到最大值，这与 CV 响应的氧化电位一致（图1）。其发光所需的电位比文献报道其他阳极 ECL 材料的发光电位更低，表明该 ECL 体系具有更好的稳定性和应用前景。该体系 ΦECL 为 8 %，较文献报道的很多其他 AuNC 和纳米材料 ECL 探针还比较高，但仍有较大的提升空间。

▲Figure 1. (A) ECL-potential (red) and CV (blue) curves of the Met-AuNC/GCE in 0.1 M PBS (pH 7.4) (a, c) without and (b, d) with 0.3 M TEA. The PMT was biased at 500 V. (B) ECL-potential (red) and CV (blue) curves of the Met-AuNC/GCE in 0.1 M PBS (pH 7.4) without TEA. The PMT was biased at 900 V. (C) ECL-time curves of (a) bare GCE and (b) Met-AuNC/GCE in 0.1 M PBS (pH 7.4) with 0.3 M TEA by stepping the potential from 0.4 V (5 s) to 1 V (1 s) and back to 0.4 V (5 s). The PMT was biased at 500 V.

实验过程中我们发现，在一定电位下采用阶跃脉冲法（SP）反复扫描其 ECL 强度并不稳定，而是会逐渐增强或减弱。例如，在 0 V 到 1 V 的电位下持续扫描 10 圈，其 ECL 强度增强了 5 倍。我们推测这是由于扫描过程中持续氧化所累积产生的氧化产物（Ox-Met-AuNCs）造成的信号增强。为了证实金的氧化态在增强 ECL 中的作用，我们将 Ox-Met-AuNC/GCE 在 -1.5 V 下进行电化学还原。发现还原后的 ECL 强度几乎可以恢复至其初始值（图2A），这可归因于还原作用下 Ox-Met-AuNCs 的减少。

此外，实验发现在 SP 电位设置在 0 V 和 1 V 时连续扫描 Ox-Met-AuNCs/GCE 的 ECL 强度会缓慢降低。我们怀疑这是由于在 0 V 电位下扫描时 Ox-Met-AuNCs 的减少所导致的。因此，为了有效避免扫描过程中 Ox-Met-AuNCs 的减少，我们需要选择一个更高的电位进行反复扫描。通过 CV 测试，我们发现 Met-AuNC/GCE在+0.9 V 附近有一个氧化峰，并且其起始电位在 +0.4 V 左右，而其 ECL 起始电位同样发生在接近 +0.4 V，并且其 ECL 强度迅速增加并在电位为 +1.0 V 时达到最大（图2C，曲线c），该电位与 Met-AuNCs 的氧化电位相一致。因此我们把 SP 的电位设置为 0.4 V 和 1 V，在该电位作用下连续 SP 扫描，发现其 ECL 信号十分稳定（图2B）。

实验结果还表明，预氧化处理的时间与 ECL 强度呈良好的线性关系（图2D），进一步表明金的 AuNCs 氧化的重要作用。通过对 Met-AuNCs 的预氧化处理，可以在电极表面产生大量的 AuNCs•+，从而建立新型 ECL 机制，机理推测如下（图2E）：

▲Figure 2. (A) ECL-time curves of (blue curve) the original Met-AuNC/GCE, (red curve) Ox-Met-AuNC (oxidized at 1 V for 50 s), and (purple curve) electrochemically reduced Ox-Met-AuNCs at -1.5 V for 50 s in 0.1 M PBS, pH 7.4 with 0.3 M TEA. (B) ECL signals of Ox-Met-AuNC/GCE under continuous potential step between 0.4 V and 1 V. (C) CV of (a) bare GCE and (b) Met-AuNC/GCE at 100 mV/s; (c) transient ECL of Met-AuNC/GCE in air-free 0.10 M PBS (pH 7.4) containing 0.3 M TEA with different oxidation potentials. (D) Linear relationship between the oxidation time and ECL intensity. (E) Schematic illustration of enhanced ECL performance after the pre-oxidation treatment.

ECL 光谱表明，本方法构建的 Ox-Met-AuNCs/TEA 体系为近红外（IR）ECL 发光，因而在生物传感和成像方面具有很大的应用潜力。此外，该预氧化策略已被成功地应用于其他 AuNCs，如：二硫苏糖醇（DTT）-AuNCs（增强 20.3 倍）和 BSA-AuNCs（增强 5 倍）。因此，该预氧化方法为制备高 ΦECL ECL 探针提供了一种通用的方法。该方法对于电子转移速率更快的 AuNCs 配体壳层更加有效。该效应为预氧化策略提供了进一步的支撑，为新型 ECL 发光体的合理设计提供了有利借鉴。

总结与展望

我们成功构建了一种 ΦECL 高达 66 % 的高性能近红外、低电位发射的 Met-AuNCs ECL 探针。通过对电化学预氧化增强 ECL 信号的研究，揭示了电化学预氧化增强 ECL 信号的机理。有趣地是，Met-AuNCs 的氧化程度取决于其氧化电位，而氧化电位亦可反过来影响 ECL 性能的重现性和稳定性。并且，可通过 AuNCs 氧化程度实现 ECL 信号的精确调控，同时该调控还受配体壳层电子转移速率的影响。因此，AuNCs 的氧化态在 ECL 中起着关键作用，为调控 AuNCs 的 ECL 性能提供了一个新的影响因素。此外，本研究检测仪器简便，易被研究者们广泛应用。本研究也丰富了研究者们对 AuNCs ECL 机制的理解，为推进 ECL 领域的发展提供了新的启发。后续研究工作中我们将继续深入探讨  AuNCs 和其他发光体的 ECL 性能影响因素，并揭示其发光机制，筛选新型高性能 ECL 探针，用于发展新体系、新方法。