UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY OF CHINA MASTER S DEGREES DISSERTATION TITLE AUTHOR SPECIALITY ADVISOR Multichannel Electrogenerated Chemiluminesce

中 国 科 学 技 术 大 学 硕 士 学 位 论 文 论 文 题 目 : 中 性 和 碱 性 的 鲁 米 诺 体 系 在 纳 米 银 修 饰 电 极 上 的 多 通 道 电 致 化 学 发 光 作 者 姓 名 : 学 科 专 业 : 王 成 名 分 析 化 学 导 师 姓 名 : 崔 华 教 授 完 成 时 间 : 2006 年 5 月

UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY OF CHINA MASTER S DEGREES DISSERTATION TITLE AUTHOR SPECIALITY ADVISOR Multichannel Electrogenerated Chemiluminescence of Luminol in Neutral and Alkaline Aqueous Solutions on a Silver Nanoparticle Self-assembled Gold Electrode Cheng-ming Wang Analytical Chemistry Professor Hua Cui May, 2006

目 录 摘 要 Ⅰ ABSTRACT Ⅲ 第 一 章 综 述 1 1.1 电 致 化 学 发 光 1 1.1.1 化 学 发 光 和 电 致 化 学 发 光 概 念 简 述 1 1.1.2 电 致 化 学 发 光 的 发 展 史 1 1.1.3 电 致 化 学 发 光 的 特 点 2 1.1.4 电 致 化 学 发 光 的 基 本 反 应 类 型 和 基 本 原 理 4 1.1.4.1 发 光 物 直 接 接 收 电 极 提 供 的 能 量 生 成 激 发 态 或 自 由 基 离 子 4 1.1.4.2 电 化 学 产 物 同 溶 液 中 氧 化 还 原 剂 发 生 ECL 反 应 5 1.1.4.3 氧 化 物 修 饰 的 阴 极 发 光 5 1.1.5 电 致 化 学 发 光 的 主 要 反 应 体 系 6 1.1.5.1 稠 环 芳 烃 类 化 合 物 6 1.1.5.2 吖 啶 类 化 合 物 7 1.1.5.3 酰 肼 类 化 合 物 8 1.1.5.4 其 它 有 机 化 合 物 9 1.1.5.5 阴 极 发 光 体 系 9 1.1.5.6 金 属 配 合 物 或 螯 合 物 9 1.1.5.7 纳 米 粒 子 体 系 10 1.1.6 鲁 米 诺 体 系 的 ECL 机 理 10 1.2 纳 米 材 料 和 修 饰 电 极 14 1.2.1 化 学 修 饰 电 极 的 特 性 及 应 用 14 1.2.2 纳 米 材 料 的 特 性 和 分 析 应 用 15 1.2.3 纳 米 材 料 ( 修 饰 ) 电 极 15 1.2.3.1 纳 米 金 属 修 饰 电 极 16 1.2.3.2 纳 米 半 导 体 修 饰 电 极 16

1.2.3.3 纳 米 自 组 装 膜 修 饰 电 极 16 1.2.3.4 其 他 纳 米 材 料 电 极 17 1.3 纳 米 银 和 纳 米 银 修 饰 电 极 17 1.3.1 纳 米 银 的 制 备 17 1.3.1.1 气 相 法 制 备 纳 米 银 17 1.3.1.2 液 相 法 制 备 纳 米 银 17 1.3.1.3 固 相 法 制 备 纳 米 银 18 1.3.2 纳 米 银 的 修 饰 和 纳 米 银 修 饰 电 极 的 制 作 18 1.3.2.1 纳 米 银 的 修 饰 18 1.3.2.2 纳 米 银 修 饰 电 极 的 制 作 19 1.3.3 纳 米 银 和 纳 米 银 修 饰 电 极 的 表 征 20 1.3.3.1 纳 米 银 的 表 征 20 1.3.3.2 纳 米 银 修 饰 电 极 的 表 征 21 1.3.4 纳 米 银 的 性 质 24 1.3.4.1 纳 米 银 的 理 论 应 有 特 性 24 1.3.4.2 纳 米 银 的 文 献 报 道 性 质 26 1.3.5 纳 米 银 和 纳 米 银 修 饰 电 极 的 应 用 29 1.3.5.1 纳 米 银 的 应 用 29 1.3.5.2 纳 米 银 修 饰 电 极 的 应 用 31 1.4 本 论 文 研 究 课 题 的 提 出 31 参 考 文 献 33 第 二 章 纳 米 银 修 饰 金 电 极 的 制 作 和 表 征 51 2.1 引 言 51 2.2 实 验 部 分 51 2.2.1 试 剂 和 溶 液 51 2.2.2 纳 米 银 的 制 备 52 2.2.3 纳 米 银 在 金 电 极 上 的 组 装 52 2.2.4 表 征 的 仪 器 52

2.2.5 交 流 电 (AC) 阻 抗 测 量 53 2.3 结 果 与 讨 论 53 2.3.1 纳 米 银 的 表 征 53 2.3.1.1 透 射 电 子 显 微 镜 (TEM) 表 征 53 2.3.1.1 紫 外 - 可 见 光 谱 (U-Vis) 表 征 54 2.3.2 纳 米 银 修 饰 电 极 的 表 征 54 2.3.2.1 扫 描 电 子 显 微 镜 (SEM) 表 征 54 2.3.2.2 傅 立 叶 变 换 红 外 (FTIR) 反 射 差 谱 表 征 55 2.3.3 三 种 电 极 的 电 化 学 阻 抗 谱 的 比 较 研 究 56 2.4 本 章 小 结 58 2.5 致 谢 58 参 考 文 献 59 第 三 章 中 性 和 碱 性 鲁 米 诺 体 系 在 纳 米 银 修 饰 金 电 极 上 的 多 通 道 电 致 化 学 发 光 61 3.1 引 言 61 3.2 实 验 部 分 62 3.2.1 化 学 药 品 和 试 剂 62 3.2.2 电 化 学 和 电 致 化 学 发 光 测 量 62 3.2.3 电 致 化 学 发 光 光 谱 的 测 量 64 3.3 结 果 与 讨 论 64 3.3.1 空 气 饱 和 条 件 下 中 性 鲁 米 诺 体 系 的 电 化 学 和 电 致 化 学 发 光 行 为 64 3.3.1.1 循 环 伏 安 (CV) 曲 线 64 3.3.1.2 电 致 化 学 发 光 (ECL) 曲 线 68 3.3.2 不 同 电 解 液 中 鲁 米 诺 的 CV 和 ECL 行 为 68 3.3.3 NaBr 浓 度 对 鲁 米 诺 ECL 信 号 的 影 响 70 3.3.4 不 同 气 氛 中 鲁 米 诺 的 CV 和 ECL 行 为 72 3.3.5 电 位 扫 描 速 度 方 向 和 区 间 的 影 响 73 3.3.5.1 电 位 扫 描 速 度 的 影 响 73

3.3.5.2 电 位 扫 描 方 向 的 影 响 74 3.3.5.3 电 位 扫 描 区 间 的 影 响 75 3.3.6 ph 值 的 影 响 75 3.3.7 缓 冲 溶 液 的 影 响 77 3.3.8 鲁 米 诺 浓 度 的 影 响 78 3.3.9 纳 米 银 自 组 装 金 电 极 上 ECL 的 稳 定 性 和 重 现 性 80 3.3.10 各 个 ECL 峰 的 ECL 光 谱 81 3.3.11 纳 米 银 自 组 装 金 电 极 上 鲁 米 诺 ECL 的 机 理 82 3.4 本 章 小 结 84 3.5 致 谢 85 参 考 文 献 86 全 文 总 结 88 附 录 : 硕 士 期 间 完 成 和 发 表 论 文 情 况 90 致 谢 91

摘 要 摘 要 本 文 综 述 了 电 致 化 学 发 光 (ECL) 化 学 修 饰 电 极 (CME) 和 纳 米 银 等 纳 米 材 料 (nano materials) 的 研 究 现 状 和 最 新 进 展 以 及 分 析 应 用 指 出 传 统 电 极 上 的 ECL 存 在 电 极 表 面 易 污 染 重 现 性 差 鲁 米 诺 体 系 的 ECL 需 在 碱 性 溶 液 中 进 行 等 问 题 提 出 纳 米 修 饰 电 极, 由 于 其 优 异 的 电 催 化 作 用 和 适 于 发 生 异 相 反 应 的 大 的 比 表 面 积, 具 有 解 决 ECL 一 系 列 不 足 的 潜 力 本 实 验 室 首 次 将 纳 米 金 组 装 在 大 块 金 电 极 上 获 得 了 较 为 理 想 的 效 果 纳 米 银 具 有 表 面 效 应 和 小 尺 寸 效 应 以 及 低 电 子 传 递 阻 力 系 数, 在 化 学 电 化 学 生 物 化 学 和 光 化 学 上 展 现 了 独 特 的 催 化 电 催 化 和 化 学 活 性 银 比 金 更 容 易 氧 化, 并 且 电 子 传 递 到 表 面 的 能 力 比 金 强, 一 些 电 化 学 反 应 用 银 催 化 比 用 金 催 化 反 应 更 快 因 此, 纳 米 银 修 饰 金 电 极 可 能 提 供 比 纳 米 金 修 饰 金 电 极 更 好 的 电 致 化 学 发 光 特 性 据 此, 论 文 合 成 了 纳 米 银, 通 过 半 胱 氨 酸 (cysteine) 作 为 修 饰 剂 将 其 自 组 装 到 大 块 金 电 极 上 制 得 纳 米 银 修 饰 金 电 极, 采 用 电 位 分 辨 的 电 致 化 学 发 光 法 系 统 探 索 了 鲁 米 诺 体 系 在 纳 米 银 修 饰 电 极 上 的 电 致 化 学 发 光 行 为 规 律 和 机 理 研 究 了 循 环 伏 安 (CV) 条 件 下 中 性 和 碱 性 鲁 米 诺 体 系 在 纳 米 银 修 饰 金 电 极 上 的 多 通 道 电 致 化 学 发 光 (ECL) 行 为 对 鲁 米 诺 电 致 化 学 发 光 体 系 而 言, 纳 米 银 修 饰 金 电 极 展 现 了 卓 越 的 电 致 化 学 发 光 特 性 在 中 性 溶 液 中, 在 0.73 1.15-0.46 和 -1.35 V(vs SCE) 处 观 察 到 四 个 电 致 化 学 发 光 峰 (ECL-1~4) 相 对 块 状 金 电 极 和 纳 米 金 修 饰 金 电 极 而 言, 这 些 峰 的 强 度 都 大 大 增 强 尤 其 是,ECL-1 和 ECL-2 在 纳 米 银 修 饰 金 电 极 上 的 强 度 分 别 约 是 在 裸 金 电 极 上 强 度 的 1000 和 1770 倍, 分 别 约 是 在 纳 米 金 修 饰 金 电 极 上 强 度 的 17 和 15 倍 在 碱 性 溶 液 中, 也 观 察 到 这 四 个 ECL 峰, 它 们 的 强 度 比 中 性 溶 液 中 的 更 强, ECL-1 和 ECL-2 的 强 度 相 对 于 裸 金 电 极 和 纳 米 金 修 饰 金 电 极 分 别 增 强 了 约 3 个 和 1 个 数 量 级 同 时, 纳 米 银 修 饰 金 电 极 的 鲁 米 诺 电 致 化 学 发 光 体 系 也 显 示 了 良 好 的 稳 定 性 和 重 现 性 研 究 表 明, 这 些 峰 受 修 饰 电 极 表 面 的 纳 米 银 电 位 扫 描 方 向 扫 描 速 度 和 扫 描 区 间 氧 气 氮 气 ph 值 电 解 液 NaBr 和 鲁 米 诺 的 浓 度 缓 冲 溶 液 等 因 素 的 影 响 通 过 分 析 化 学 发 光 (ECL) 光 谱, I

摘 要 这 些 峰 被 确 定 是 由 3- 氨 基 邻 苯 二 甲 酸 盐 发 射 所 致 通 过 扫 描 电 子 显 微 镜 (SEM) 表 征 了 纳 米 银 修 饰 金 电 极 的 表 面 状 态, 通 过 电 化 学 阻 抗 谱 方 法 (EIS) 研 究 了 电 极 的 界 面 特 性 提 出 了 这 些 电 致 化 学 发 光 峰 的 形 成 机 理 ECL-1 可 能 是 由 于 鲁 米 诺 阴 离 子 氧 化 为 鲁 米 诺 自 由 基 阴 离 子, 鲁 米 诺 自 由 基 阴 离 子 与 溶 解 氧 发 生 反 应 而 发 光, 纳 米 银 对 此 过 程 有 显 著 的 催 化 作 用 ;ECL-2 可 能 是 Br - 在 高 电 位 下 被 氧 化 生 成 BrO -,BrO - 与 鲁 米 诺 自 由 基 阴 离 子 反 应 形 成 发 光, 纳 米 银 对 此 过 程 也 有 催 化 作 用 ;ECL-3 可 能 是 溶 解 氧 还 原 生 成 HO 2,HO 2 氧 化 鲁 米 诺 形 成 阴 极 发 光 ;ECL-4 可 能 对 应 于 一 个 与 电 致 的 Br 2 H HO 2 和 纳 米 银 密 切 相 关 的 复 杂 电 化 学 发 光 过 程 在 ph7.0 时, 纳 米 银 自 组 装 金 电 极 可 获 得 鲁 米 诺 的 检 测 限 为 1 10-9 mol/l, 低 于 纳 米 金 自 组 装 金 电 极 一 个 数 量 级 此 项 工 作 表 明 : 中 性 和 碱 性 鲁 米 诺 溶 液 在 纳 米 银 修 饰 金 电 极 上 具 有 强 的 电 致 化 学 发 光 和 良 好 的 重 现 性 等 方 面 的 特 性, 这 在 分 析 应 用 上 具 有 巨 大 的 潜 力 关 键 词 : 电 致 化 学 发 光, 化 学 修 饰 电 极, 循 环 伏 安 法, 鲁 米 诺, 纳 米 银, 机 理 II

ABSTRACT ABSTRACT The recent developments and analytical applications in the field of electrochemiluminescence (ECL), chemically Modified Electrodes (CME) and nano materials such as nanosilver were reviewed. At conventional electrodes, ECL-based detection suffers from several problems. For example, the electrode surface is readily contaminated, resulting in poor analytical reproducibility. Alkaline condition is usually required for luminol ECL system in order to achieve high ECL intensity and the light emission is very weak in neutral solution. Previous work has revealed that the behavior of ECL is strongly affected by a number of factors, including applied potential, electrode material, and surface state of the electrode. Therefore, it is expected that ECL-based detection can be improved through optimization of the composition and surface structure of the electrode. It seems that nanoparticle self-assembled electrodes are inherently ideal for ECL because of enormous surface area-to-volume ratio, which is highly susceptible to heterogeneous redox chemistry with surrounding environments. In our previous work, a gold nanoparticle self-assembled gold electrode has been used to study the ECL behaviors of luminol in neutral and alkaline solutions, and exhibited remarkable ECL properties. Silver nanoparticles exhibit excellent catalytic, electrocatalytic and chemical activities in chemistry, electrochemistry, biochemistry and photochemistry due to surface and microscale effect and low electron-transfer resistivity. As silver can be more easily oxidized than gold and some charge transfer toward the surface takes place according to the sequence Ag > Au, certain electrocatalytic reactions occur more rapidly with silver nanoparticle as catalyst than with gold nanoparticle. Therefore, nanosilver modified gold electrode may offer better ECL properties than nanogold modified gold electrode. The aim of this dissertation was to explore the luminol ECL on a silver nanoparticle self-assembled electrode. The electrochemiluminescence (ECL) III

ABSTRACT behaviors of luminol on a silver nanoparticle self-assembled gold electrode in neutral and alkaline solutions were investigated under conventional cyclic voltammetry (CV). The silver nanoparticle self-assembled gold electrode exhibited excellent ECL properties for the luminol ECL system. In neutral solutions, four ECL peaks (ECL-1 ~ 4) were observed at 0.73, 1.15, -0.46 and -1.35 V (vs SCE), respectively. The intensities of these peaks were enhanced significantly compared with those on a bulk gold electrode and a gold nanoparticle modified electrode. It was highlighted that ECL-1 and ECL-2 on a silver nanoparticle modified electrode were about 1000 and 1770 times stronger than those on a bare Au electrode and were even about 17 and 15 times stronger than those on a gold nanoparticle self-assembled electrode, respectively. In alkaline solutions, four ECL peaks were also observed, which were much stronger than those in neutral solutions, and ECL-1 and ECL-2 were enhanced by about 3 and 1 orders of magnitude compared with those on a bare Au electrode and on a gold nanoparticle self-assembled electrode, respectively. Moreover, the silver nanoparticle modified electrode exhibited good stability and reproducibility for luminol ECL. These peaks were found to depend on silver nanoparticles on the surface of the modified electrode, potential scan direction, scan rate, scan range, the presence of O 2 or N 2, ph values, electrolytes, the concentrations of NaBr and luminol, and buffer solutions. The emitter of these ECL peaks was affirmed as 3-aminophthalate by analyzing the CL spectra. The surface state of the silver nanoparticle self-assembled electrode was characterized by scanning electron microscopy (SEM), and the interface property of the electrode was studied by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The mechanism for the formation of these ECL peaks has also been proposed. ECL-1 is likely due to that luminol radicals formed by the electro-oxidization of luminol anions react with dissolved oxygen and silver nanoparticles can strongly catalyze the process. ECL-2 may correspond to the reaction of luminol radicals with BrO and silver nanoparticles can also strongly catalyze the ECL-2 process; ECL-3 is probably due to the IV

ABSTRACT reaction of luminol anion with HO 2 and BrO - ; ECL-4, corresponding to a complex ECL process, is related to electrogenerated Br 2, H, HO 2 and nanosilver, and further work is needed for the clarification of this process. The detection limit of 1 10-9 mol/l for luminol at ph 7.0 on a silver nanoparticle self-assembled electrode is obtained, which is one order of magnitude lower than that on a gold nanoparticle self-assembled electrode. The results demonstrate that luminol has excellent ECL properties such as strong ECL intensity and good reproducibility on a silver nanoparticle modified gold electrode both in neutral solutions and in alkaline solutions, which is of great potential in analytical application. KEYWORDS: ECL; CME; CV; Luminol; Silver nanoparticle; Self-assembled gold electrode; Mechanism V

第 一 章 第 一 章 综 述 1.1 电 致 化 学 发 光 1.1.1 化 学 发 光 和 电 致 化 学 发 光 概 念 简 述 化 学 发 光 (Chemiluminescenece, CL) 是 指 化 学 反 应 过 程 中 吸 收 了 反 应 所 释 放 的 化 学 能 而 处 于 电 子 激 发 态 的 反 应 中 间 体 或 反 应 产 物 从 激 发 态 回 到 基 态 时 所 产 生 的 一 种 电 磁 辐 射 人 们 把 通 过 化 学 反 应 产 生 的 光 现 象 称 之 为 化 学 发 光, 而 把 生 物 体 内 的 化 学 发 光 称 之 为 生 物 发 光 (Bioluminescence, BL)[1] 电 致 化 学 发 光 ( Electrochemiluminescence or Electrogenerated Chemiluminescence, ECL) 是 将 电 化 学 手 段 与 化 学 发 光 技 术 相 结 合 的 一 种 研 究 方 法, 即 利 用 电 化 学 反 应 形 成 激 发 态 发 光 体 而 发 光 或 通 过 电 解 产 物 之 间 电 解 产 物 与 体 系 中 其 它 物 质 之 间 进 行 化 学 反 应 产 生 的 一 种 发 光 现 象 [2-9] 电 致 化 学 发 光 分 析 法 除 了 具 有 化 学 发 光 分 析 法 所 具 有 的 灵 敏 度 高 线 性 范 围 宽 和 装 置 简 单 等 优 点 外, 它 还 能 克 服 化 学 发 光 分 析 法 中 所 存 在 的 一 些 缺 点, 如 一 些 化 学 发 光 试 剂 不 易 保 存 或 在 特 定 条 件 下 不 稳 定, 难 以 实 现 时 间 和 空 间 上 的 控 制, 化 学 发 光 试 剂 难 以 重 复 使 用, 以 及 溶 液 混 合 不 均 匀 所 带 来 的 重 现 性 相 对 较 差 等 1.1.2 电 致 化 学 发 光 的 发 展 史 人 们 很 早 以 前 就 已 经 知 道 通 过 电 解 会 产 生 发 光 现 象 1927 年,Dufford 等 在 Grignard 试 剂 的 无 水 乙 醚 溶 液 中 首 先 观 察 到 ECL 现 象 [10], 接 着 1928 年,Harvey 在 电 解 碱 性 鲁 米 诺 (3- 氨 基 二 甲 酰 肼 ) 水 溶 液 时 发 现 电 极 附 近 有 发 光 现 象 [11] 在 20 世 纪 中 期 以 来 人 们 在 对 新 型 碳 氢 化 合 物 配 合 物 (Ru Os Pt Pd 等 过 渡 金 属 配 合 物 ) 和 团 簇 (Mo W 等 团 簇 ) 的 光 化 学 和 电 化 学 性 质 的 认 识 方 面 取 得 了 很 大 的 进 展 [12-15], 与 此 同 时 也 促 进 了 ECL 理 论 1

第 一 章 实 验 技 术 分 析 方 法 的 初 步 形 成 六 七 十 年 代 后, 人 们 开 始 认 识 到 这 方 面 工 作 对 阐 明 化 学 发 光 机 理 很 有 帮 助 [10-12], 美 国 的 T. Kuwana L. R. Faulkner A. J. Bard 等 人 就 仔 细 研 究 了 大 量 芳 香 族 化 合 物 的 ECL, 并 对 其 机 理 进 行 了 深 入 探 讨 [16-20] 随 着 电 子 技 术 的 迅 猛 发 展, 集 成 电 路 的 广 泛 使 用, 使 用 多 种 脉 冲 信 号, 如 线 性 扫 描 正 矩 形 扫 描 双 阶 跃 脉 冲 等, 可 测 到 更 弱 的 光 信 号, 拓 宽 了 其 研 究 领 域 而 到 八 十 年 代, 随 着 多 种 电 极 和 仪 器 系 统 的 改 进, 许 多 新 体 系 的 发 现,ECL 开 始 广 泛 地 应 用 于 化 学 分 析 环 境 科 学 生 命 科 学 和 医 学 等 领 域 ECL 分 析 方 法 的 检 出 限 低, 且 线 性 范 围 宽 美 国 A. J. Bard 于 1984 年 提 出 电 生 联 吡 啶 钌 的 方 法 作 为 免 疫 分 析 的 可 能 性, 并 进 一 步 使 ECL 进 入 了 实 用 阶 段 [21] 1.1.3 电 致 化 学 发 光 的 特 点 电 致 化 学 发 光 作 为 一 种 结 合 电 化 学 和 化 学 发 光 的 分 析 测 试 技 术, 具 有 荧 光 分 析 和 化 学 发 光 分 析 的 性 质, 同 时 具 有 电 化 学 的 一 些 性 质 它 不 但 可 利 用 电 化 学 分 析 的 特 长, 而 且 可 发 挥 化 学 发 光 分 析 的 优 点 概 而 言 之, 有 以 下 优 点 : 1. 发 光 反 应 的 控 制 性 好 由 于 在 ECL 反 应 中, 发 光 反 应 物 是 在 电 极 表 面 产 生 的, 其 形 成 的 速 度 和 参 加 发 光 反 应 的 速 度 方 式 等 是 严 格 受 电 化 学 激 发 信 号 所 控 制, 发 光 集 中 在 电 极 表 面 附 近, 便 于 设 计 最 有 效 的 光 信 号 检 测 系 统, 因 此 可 以 通 过 电 极 电 位 的 控 制 及 改 变 波 形 发 生 器 所 发 出 的 波 型, 达 到 控 制 化 学 发 光 反 应 过 程 的 目 的, 提 高 分 析 的 选 择 性 稳 定 性 重 现 性, 并 能 为 化 学 发 光 反 应 机 理 的 研 究 提 供 更 多 有 用 的 信 息 与 化 学 发 光 反 应 相 比,ECL 反 应 呈 现 出 极 强 的 调 节 控 制 反 应 的 特 点 2. 具 有 高 灵 敏 度 高 选 择 性, 以 及 高 的 抗 干 扰 能 力 ECL 由 电 化 学 手 段 激 发 产 生, 因 而 背 景 信 号 低, 无 需 额 外 的 滤 波 仪 器, 从 而 无 需 使 用 昂 贵 仪 器 就 可 获 得 高 灵 敏 度 的 检 测 ECL 反 应 产 生 于 电 极 表 面, 采 用 特 殊 电 化 学 技 术 给 ECL 提 供 了 很 多 暂 态 控 制 通 过 优 化 电 极 的 材 料 尺 寸 和 位 置 可 提 高 方 法 灵 敏 度 通 过 物 质 固 载 的 修 饰 电 极 上 产 生 的 ECL 信 号, 许 多 不 稳 定 分 析 物 ( 如 2

第 一 章 反 应 中 间 体 ) 可 产 生 瞬 间 ECL 而 被 检 测 而 利 用 电 解 电 位 的 控 制 技 术 可 以 提 高 方 法 的 选 择 性 相 对 于 电 化 学 测 定 法 来 说,ECL 方 法 抗 干 扰 能 力 要 强 很 多 3. 设 备 简 单, 操 作 简 便, 并 且 易 于 自 动 化, 可 同 流 动 注 射 色 谱 和 电 泳 技 术 联 用, 用 于 检 测 分 离 物 由 于 ECL 法 的 氧 化 剂 直 接 由 电 解 产 生, 无 须 额 外 加 入 氧 化 剂, 从 而 简 化 了 ECL 的 设 备 装 置 ECL 与 色 谱 和 电 泳 技 术 的 联 用 具 有 高 选 择 性 高 灵 敏 度 高 重 现 性 和 快 响 应 等 特 点 尽 管 CL 也 可 以 同 许 多 技 术 如 高 效 液 相 色 谱 法 (HPLC) 液 相 色 谱 法 (LC) 毛 细 管 电 泳 (CE) 和 流 动 注 射 法 (FIA) 等 联 用, 但 需 要 在 分 离 液 中 加 额 外 试 剂, 这 导 致 增 加 仪 器 成 本 样 品 被 稀 释 和 峰 展 宽 等 缺 点 而 ECL 可 通 过 现 场 产 生 试 剂 克 服 以 上 缺 点 试 剂 可 预 先 放 在 样 品 液 中, 并 在 电 极 表 面 活 化 这 种 现 场 活 化 的 方 法 可 用 于 产 生 活 性 的 反 应 物, 因 而 可 检 测 更 广 泛 的 物 质 4. 同 时 提 供 多 种 信 息, 有 利 于 发 光 反 应 机 理 的 研 究 ECL 反 应 中, 在 获 得 发 光 体 系 的 光 学 信 息 的 同 时, 还 可 获 得 其 对 应 的 电 化 学 信 息, 可 同 时 通 过 发 光 信 号 的 寿 命 和 波 长 等 进 行 不 同 参 数 和 多 种 特 性 的 同 时 分 析, 有 利 于 进 行 发 光 反 应 机 理 的 研 究 发 光 反 应 试 剂 是 现 场 定 量 定 时 产 生 的, 而 且 其 生 成 速 度 可 以 依 靠 电 化 学 方 法 控 制 以 快 于 发 光 反 应 的 速 度 进 行, 因 而 更 有 利 于 快 速 发 光 反 应 的 研 究 和 应 用 5. 具 有 很 强 的 时 间 空 间 分 辨 作 用 电 极 表 面 反 应 生 成 的 ECL 反 应 呈 现 出 较 好 的 时 间 空 间 分 辨 能 力, 可 实 现 多 种 物 质 的 同 时 测 定 近 来,ECL 成 像 技 术 的 广 泛 研 究 与 应 用 也 从 一 个 侧 面 反 应 出 ECL 反 应 的 这 一 特 点 6. 可 进 行 原 位 现 场 分 析 ECL 反 应 产 生 于 电 极, 即 化 学 发 光 位 于 电 极 表 面 附 近, 可 通 过 电 位 将 反 应 初 始 条 件 速 度 和 历 程 予 以 控 制, 即 可 以 方 便 地 进 行 原 位 现 场 (in situ) 分 析 7. 循 环 使 用 试 剂 某 些 发 光 试 剂 在 电 极 表 面 进 行 可 再 生 的 氧 化 还 原 反 应 和 循 环 使 用, 如 联 吡 啶 钉, 这 样 不 仅 可 以 增 大 光 强, 提 高 灵 敏 度, 增 强 重 现 性, 还 节 约 了 试 剂 可 将 此 类 发 光 物 质 通 过 一 定 的 方 式 固 定 化 以 减 少 试 剂 的 使 用, 同 时 可 简 化 实 验 装 置, 提 高 检 测 的 灵 敏 度, 可 用 于 ECL 传 感 器 的 研 制, 特 别 适 于 免 疫 分 析 等 8. 分 析 应 用 范 围 广 凡 是 能 用 CL 分 析 的 物 质 一 般 都 能 用 ECL 法 进 行 分 3

第 一 章 析, 而 且 对 于 那 些 因 为 试 剂 不 稳 定 而 无 法 进 行 CL 分 析 的 物 质 可 以 用 ECL 法 进 行 分 析 对 于 不 稳 定 的 CL 试 剂 以 及 ECL 所 需 活 性 物 种 可 以 在 电 极 表 面 现 场 产 生, 可 以 通 过 改 变 电 极 电 位 来 控 制 CL 反 应 的 发 生 和 速 率 甚 至 反 应 进 程, 通 过 改 变 电 极 电 位 实 现 发 光 反 应 的 开 关 此 外, 某 些 对 CL 呈 惰 性 的 分 析 物 可 以 通 过 电 化 学 反 应 转 变 成 活 性 物 种, 从 而 扩 大 CL 分 析 的 应 用 范 围 1.1.4 电 致 化 学 发 光 的 基 本 反 应 类 型 和 基 本 原 理 1.1.4.1 发 光 物 直 接 接 收 电 极 提 供 的 能 量 生 成 激 发 态 或 自 由 基 离 子 根 据 激 发 态 分 子 或 者 离 子 产 生 的 历 程 和 跃 迁 的 方 式, 这 种 ECL 反 应 的 基 本 路 径 可 分 为 两 种 类 型 : (1) 通 过 单 重 激 发 态 途 径 的 ECL(S-route), 见 Scheme 1-1A 大 多 数 芳 香 族 化 合 物 的 ECL 按 此 类 机 理 进 行 如 9,10- 二 苯 基 蒽 (DPA)[22-24], 当 电 极 施 加 正 负 双 阶 越 脉 冲 时, 以 单 重 激 发 态 形 式 (S-route) 而 发 光 A e A + A + e A A + + A A + 1 A * 电 化 学 氧 化 电 化 学 还 原 自 由 基 湮 灭 1 A * A + hν 发 光 过 程 Scheme 1-1A (2) 通 过 三 重 激 发 态 途 径 的 ECL(T-route), 如 Scheme 1-1B 所 示 例 如, 在 N,N,N,N - 四 甲 基 对 苯 二 胺 (TMPD) 和 DPA 的 混 合 溶 液 中, 将 幅 度 为 0.16(TMPD 被 氧 化 成 TMPD + 的 电 位 ) 至 -2.1V(DPA 被 还 原 成 DPA 的 电 位 ) 的 外 加 方 波 电 压 施 加 于 工 作 电 极 上, 就 有 此 类 ECL 产 生 [25-27] A e A + A + e A 电 化 学 氧 化 电 化 学 还 原 4

第 一 章 A + + A A + 3 A * 自 由 基 湮 灭 3 A * + 3 A * 1 A * + A 激 发 态 转 化 1 A * A + hν 发 光 过 程 Scheme 1-1B 以 上 两 种 类 型 ECL 较 为 普 遍, 究 竟 按 照 那 种 类 型 进 行, 取 决 于 反 应 过 程 中 标 准 自 由 能 变 化 值 Faulkner 等 人 给 出 了 一 个 判 别 式 : ΔG 0 = Ep(A + / A) Ep(A/ A ) 0.06 式 中 ΔG 0 是 生 成 单 重 激 发 态 1 A * 反 应 过 程 中 标 准 自 由 能 变 化 值 ;Ep 是 指 示 电 对 的 电 极 电 位, 一 般 可 通 过 循 环 伏 安 法 求 得 如 果 ΔG 0 低 于 Es( 最 低 单 重 激 发 态 激 发 能 ), 则 不 能 按 S-route 方 式 进 行, 而 当 ΔG 0 大 于 E T ( 最 低 三 重 激 发 态 激 发 能 ), 则 按 T-route 方 式 进 行 1.1.4.2 电 化 学 产 物 同 溶 液 中 氧 化 还 原 剂 发 生 ECL 反 应 该 类 发 光 机 理 如 Scheme 1-1C 所 示 酰 肼 类 化 合 物 ABEI, 光 泽 精, 碱 性 鲁 米 诺 发 光 体 系, 各 种 无 机 配 合 物 的 ECL 以 及 乙 腈 介 质 中 Ru(bpy) 3 2+ /C 2 O 4 2- 等 体 系 均 属 此 类 ECL 发 光 机 理 A A + +e 或 A+e A - A + +R A * +O 或 A - +O A * + R Scheme 1-1C 1.1.4.3 氧 化 物 修 饰 的 阴 极 发 光 在 某 些 金 属 的 氧 化 物 电 极 上 可 观 察 到 另 一 类 ECL 现 象 阴 极 发 光 此 类 电 极 在 阴 极 极 化 时 在 溶 液 中 产 生 热 电 子, 允 许 共 反 应 物 如 溶 解 氧 过 氧 化 5