第四节 纳米材料参与的化学发光分析
一、概述
随着科学技术的快速发展，人类的认知范围也在不断扩大，由宏观世界逐渐发展到微观世界，这样就促进了纳米材料的诞生。人们之所以大力关注和研究纳米材料，是由于其特殊的尺寸分布（1～100nm），其性质既不同于宏观物体，也不同于微观世界的原子、分子，而是介于两者之间。所以，纳米材料具有许多传统材料所不具备的奇特性质，如表面界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应及宏观量子隧道效应。这些性质使得此类物质的化学活性高，易发生表面化学反应。
近些年来，人们在纳米材料的可控合成和性质探讨方面做了大量深入的研究，开发出一些纳米材料参与的化学发光新体系，在一定程度上弥补了化学发光体系少的不足，也扩大了纳米材料的应用领域。纳米材料可以以催化剂、标记物、还原剂、发光体或能量受体等多种形式参与化学发光、电致化学发光以及催化化学发光，为化学发光方法注入了新的活力。
二、纳米材料参与的化学发光技术的分类
（一）金属纳米材料参与的化学发光
金属纳米材料由于具有独特的光、电、磁及化学性质而受到人们的青睐，目前金属纳米材料参与的化学发光的很多研究都涉及了机理研究。
在金属纳米材料中，金纳米粒子是最早出现的纳米材料，也是纳米科学领域研究的热点之一。其中金纳米粒子作为催化剂的研究已成为纳米材料催化的一个重要代表，影响纳米颗粒催化能力的因素主要是其大小、形状及聚集或分散状态。截至目前，金纳米粒子参与的鲁米诺化学发光体系的研究报道很多，其中球形金纳米粒子催化鲁米诺-过氧化氢体系的发光开创了纳米颗粒参与化学发光的先河。其化学发光机理如图9-12所示。
图9-12 金纳米粒子催化鲁米诺-过氧化氢化学发光的可能机理
化学发光机理（图9-12）可从以下几步来理解：①在金纳米粒子催化作用下，过氧化氢中的O—O键发生断裂生成OH·，通过和金纳米粒子发生部分电子转移反应，有利于该自由基在金纳米粒子表面的稳定存在；②在碱性溶液中生成的鲁米诺阴离子和过氧化氢阴离子与金纳米粒子表面的OH·反应，生成鲁米诺自由基和超氧阴离子自由基·O2-；③在金纳米粒子的催化作用下，鲁米诺自由基和·O2-。进一步发生电子转移反应，生成一种关键的、不稳定的过氧化中间体，这种中间体很快分解生成3-APA*并产生化学发光。
银纳米粒子催化活性的研究比金纳米粒子要早。理论上，相同条件下，银纳米粒子的催化活性要比金和铂纳米颗粒强，这是因为银的氧化还原电势比金和铂低，因此银化学吸附氧的能力强于金，所以银的表面通常有Ag2O等稳定的氧化物存在，而金的表面却没有。
与上述提到的金纳米粒子、银纳米粒子相比，铂纳米材料参与化学发光体系的报道还相对较少。
（二）合金纳米材料参与的化学发光
单一组分的纳米材料对鲁米诺的化学发光有一定的催化能力，这一点已被大量的试验事实证明。但随着纳米技术的快速发展，由单金属纳米颗粒经适当反应形成的合金纳米材料引起了人们浓厚的研究兴趣。合金纳米颗粒不仅仅具有各组分纳米颗粒的性质，而且还具有组分间的复合协同效应，这样就使其综合性能（如催化能力）更加优异。
（三）氧化物纳米材料参与的化学发光
半导体氧化物纳米粒子具有表面积大和毒性低等特点，在化学发光领域具有良好的应用潜力。对于磁性纳米粒子而言，目前在大多数的研究中，主要是将其作为具有催化活性的多孔材料的替代品，将磁性纳米粒子用于化学发光的研究报道还较少。在氧化物方面，已报道如二氧化钛、氧化锌、二氧化铈、氧化铜、氧化钴都可增强鲁米诺-过氧化氢体系的发光强度，其中以氧化铜的催化活性最好。在磁性纳米粒子方面，有报道钴铁氧化物、氧化铁等对鲁米诺发光体系也有一定的催化能力。各种氧化物纳米颗粒催化鲁米诺发光的机理和金纳米粒子等金属纳米颗粒基本相同。
（四）碳纳米材料参与的化学发光
在纳米世界，由非金属元素形成的纳米材料也引起了人们的极大兴趣，其中最引人注目的当属碳元素。在早期的概念中，人们普遍认为碳元素只有金刚石、石墨和无定形碳三种形态。但人类探索世界的能力是巨大的，对碳元素的认识也是在不断地向前发展，尤其是自2004年英国曼彻斯特大学的科学家Geim和Novoselov首次利用机械剥离法得到单片层的石墨烯以来，碳纳米材料更是激起了科学家的研究热潮。由于两人在石墨烯材料上作出的突出贡献，获得2010年的诺贝尔物理学奖。目前，相继发现的碳纳米材料有零维的碳点和富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯、三维的石墨和金刚石。其中石墨烯是其他石墨形态的母体，将其裹成球形可得到零维的富勒烯，卷绕成管状可得到一维的碳纳米管，按片层堆积起来可得到三维的金刚石和石墨。这些新型碳材料在给科学界带来一个又一个惊喜的同时，其奇特的结构、良好的物理和化学稳定性、特殊的电子结构、表面性质及吸附特性等引起了科学家们的广泛关注。
（五）量子点参与的化学发光
量子点（quantum dots，QDs）是指半导体纳米晶体的粒径小于或接近于激子波尔半径时，具有独特的量子尺寸效应和表面效应，表现出优良的荧光效应的一类纳米颗粒的总称。主要由ⅡB～ⅥA族或ⅢA～ⅤA族元素组成（如CdSe、CdTe、InP和InAs等），目前研究较多的是CdX（X=S、Se、Te）。它的光学性质主要取决于半径大小，通过改变量子点的大小可以获得从紫外到近红外范围内任意点的光谱。宽能带的ⅡB～ⅥA族量子点比ⅢA～ⅤA族有着更大的激发结合能和更广泛的用途。
半导体粒子与金属相比，能带是不连续的，半导体的能带结构通常由一个充满电子的低能价带和一个窄的高能导带构成，价带和导带之间存在一个区域为禁带，区域的大小通常称为禁带宽度（也称能隙Eg），半导体的光吸收阈值λg与禁带宽度Eg有着密切的关系。当量子点受到能量大于或等于禁带能量的光照射时，量子点价带中的电子会被激发跃迁至导带，从而在价带上产生光生空穴（h+），在导带上产生电子（e-）。当电子从导带返回价带时，就会与价带中的空穴发生复合，产生光辐射。量子点的发光原理如图9-13所示。电子和空穴再次复合的主要途径有以下三种：
图9-13 量子点发光原理示意图
①电子和空穴直接复合，产生激发态发光。由于量子尺寸效应，量子点所产生的发射光波长随颗粒尺寸的减小而蓝移。②通过表面缺陷态间接复合发光。量子点的表面存在许多悬挂键，形成很多表面缺陷态，当量子点受光激发后，光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态而产生表面态发光。量子点的表面越完整，表面对载流子的捕获能力就越小，表面态的发光就会越弱。③通过杂质能级复合发光。
以上三种情况的发光相互竞争。如果量子点表面存在很多缺陷，对电子和空穴的捕获能力很强，电子和空穴一旦产生就被俘获，就会使电子和空穴直接复合的概率降低，激发态的发光变弱甚至可能观察不到。通常需要设法制备表面完整的量子点或者对量子点表面进行修饰来减少表面缺陷，从而消除由于表面缺陷引起的缺陷态发光，使电子和空穴能够有效地直接复合而得到激发态的发光。
传统的量子点因含有Cd、Cr等元素，对环境造成污染而备受诟病。2004年，美国克莱蒙森大学的Scfivens等人在纯化单壁碳纳米管的过程中首次制备出碳量子点。在随后的几年中，碳量子点以其良好的水溶性、卓越的光电性质、稳定的化学性质、生物兼容性、环境友好和耗费低等优点得到人们越来越多的关注和研究。
碳量子点，简称碳点，是指粒径在10nm以下具有荧光性质的碳颗粒，包括碳纳米点、石墨烯量子点和聚合物点，成为碳材料家族中一颗冉冉升起的新星，有望代替传统的金属半导体量子点应用于化学传感、光电器件、生物成像、光催化、食品安全等领域，展现出了广阔的应用前景。
在碳点参加的化学发光反应中，体系的化学发光会被碳点增敏，从而提高化学发光检测的选择性和灵敏度，因此近年来碳点增敏化学发光的应用报道逐渐增多。国内林金明研究组的研究指出，在化学发光中，当量子点是唯一发光体时，量子点被氧化，产生化学发光；当有两个以上发光体时，量子点可能作为催化剂和发生能量转移的能量受体的双重身份。
三、纳米材料参与的化学发光分析技术的应用
金属纳米粒子能够直接参与化学发光反应，例如金、银和铂的纳米颗粒能够催化过氧化氢降解生成活性氧，增强鲁米诺-过氧化氢体系的化学发光。银纳米颗粒能够明显增强柠檬酸盐-钌（Ⅱ）联吡啶和Ce（Ⅳ）体系化学发光，可以用来测定样品中的柠檬酸根。小粒径纳米金作为还原剂可以还原酸性高锰酸钾产生激发态Mn（Ⅱ）*的光发射。金属纳米颗粒在外界条件诱导下还会影响一些化学发光体系的反应机理，例如，16nm的金纳米颗粒能增强鲁米诺在中性和碱性下的电化学发光，并诱导产生新的化学发光峰。此外，卤素离子、巯基化合物等作为吸附剂能够增强银纳米粒子的还原性，并导致其还原光泽精产生化学发光。金纳米增强的鲁米诺柱后化学发光应用于毛细管电泳分离检测，实现血清中痕量尿酸的分析，最低检测限为4.6×10-8mol/L。采用金纳米增强的毛细管电泳-化学发光方法实现肾上腺素等化合物的灵敏和选择性检测。基于金纳米增强的免疫传感器用于食品中葡萄球菌肠毒素B的检测，检测限约为0.01ng/ml。
通过施加一定电压或者接受化学反应所释放的能量能够激发具有荧光特性的量子点产生化学发光。2002年，Bard课题组首次报道了硅量子点在有机相中的液相电致化学发光现象，随后，CdSe、CdSe/ZnSe、Ge和CdTe等量子点在有机相中的电致化学发光现象也相继被报道，如利用量子点的电化学发光可实现三磷酸腺苷（ATP）、蛋白以及无机、有机化合物的检测。这些基于纳米材料的化学发光在生命科学、环境科学和分析化学等领域有着广阔的应用前景。