【人物与科研】浙江大学苏彬教授课题组：具有纳米级纵向空间分辨率的电化学发光自干涉光谱

导语

电化学发光（ECL）是一种由电化学反应引发的光信号。它被广泛地应用于临床诊断和免疫分析中，具有高灵敏度、高选择性、低背景信号等优点。纵向空间分辨对于研究ECL的机理和发展基于ECL的免疫分析技术具有非常重要的意义。目前，关于纵向空间分辨ECL的研究还较少，且分辨率较低。近日，浙江大学苏彬教授课题组报道了一种电化学发光自干涉光谱技术（ECLIS）。这种方法具有纳米级的纵向空间分辨率。相关成果发表于J. Am. Chem. Soc.（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 1222-1226. DOI: 10.1021/jacs.9b12833）。

苏彬教授课题组简介

苏彬教授课题组主要研究课题包括单细胞/单颗粒电化学发光显微成像，量子点电化学发光机制及其免疫/分子诊断应用，抗污染电化学界面设计及其单细胞/活体分析应用，纳米均孔（膜）仿生传感与测量等。

苏彬教授简介

苏彬，浙江大学化学系教授，浙江大学分析化学研究所所长。本科毕业于吉林大学化学系，中科院长春应用化学研究所获得硕士学位，瑞士洛桑联邦理工学院（Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL）获得博士学位。2006-2009年在EPFL从事博士后研究。2009年6月任浙江大学化学系特聘研究员（Tenure-Tracked）和独立PI博士生导师，2013年1月晋升浙江大学教授。主要从事界面电化学、电化学发光分析方法和技术、微纳尺度分子分离和分析、指纹痕迹检验与成像分析等方面的基础和应用研究。迄今共发表论文130余篇，获授权中国发明专利9项。指导研究生30余名，其中已毕业18名。

前沿科研成果

具有纳米级纵向空间分辨率的电化学发光自干涉光谱

作者以覆盖了二氧化硅薄膜（厚度约6.2 µm）的硅片（SiO₂/Si，图1a）作为电极基底，利用电子束蒸发在薄膜上沉积约4.6 nm厚的钛层和11.8 nm厚的金层。制备的电极从上至下分别为金层、钛层、二氧化硅薄膜和硅基底（Au/SiO₂/Si，图1b）。当光入射到SiO₂/Si或Au/SiO₂/Si电极上时，从不同界面处反射的光之间会发生光学干涉，产生干涉光谱（图1c和d，空心圆）。在干涉光谱中可以观察到多个规律的干涉峰。利用传输矩阵法可以把SiO₂/Si或Au/SiO₂/Si电极简化为一个单一的等效界面，并计算理论的干涉光谱。在计算理论光谱的过程中，二氧化硅薄膜的厚度是唯一的未知变量。改变理论计算过程中二氧化硅薄膜的厚度，使理论光谱与实验测得的光谱之间差值最小，此时使用的厚度值即为二氧化硅薄膜实际的厚度（图1c和d，黑线）。因此，利用光学干涉可以计算得到薄膜的厚度。

图1. SiO₂/Si（a）和Au/SiO₂/Si电极（b）的扫描电子显微镜截面图。SiO₂/Si（c）和Au/SiO₂/Si电极（d）在空气中的实验（空心圆）和理论（黑线）白光干涉光谱。图a和b中的标尺分别为10 µm和100 nm。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

ECL过程中分子直接发射的光和在Au/SiO₂/Si电极上反射的光之间会发生干涉，从而形成ECL自干涉光谱（图2a），实验装置如图2b所示。作者首先研究了固定在Au/SiO₂/Si电极表面的单层ECL分子的自干涉光谱。分别用3-巯基丙酸和含50个碱基对的双链DNA分子把三联吡啶钌(II)（Ru(bpy)₃²⁺）的衍生物固定到电极表面。在施加电位后，可以在干涉光谱中看到多个明显的干涉峰，验证了ECL自干涉原理的正确性（图3）。同样地，通过传输矩阵法和双光束干涉法也可以计算理论的ECL自干涉光谱。在计算理论光谱的过程中，Ru(bpy)₃²⁺分子与电极之间的距离是唯一的未知变量。改变距离的数值可以得到不同的自干涉光谱。当理论光谱与实验测得的光谱之间差值最小时，理论光谱中使用的距离的数值即为正确值。作者利用该方法对ECL分子与电极之间的距离进行了计算。以3-巯基丙酸或双链DNA作为连接分子，通过计算得到的距离分别为1.5 nm和8.7 nm。前者与用ChemBio3D软件计算的钌原子与硫原子之间的距离（1.28 nm）接近。而后者则略小于文献中报道的数值（10.5 nm）。这可能是源于带负电荷的DNA骨架与施加正电位后的金电极之间的相互作用。该结果进一步证明了ECLIS理论的正确性，并且证明ECLIS具有纳米级的纵向空间分辨能力。

图2. ECLIS的原理（左）和实验装置（右）示意图。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

图3. 利用3-巯基丙酸（a）和含50个碱基对的双链DNA（c）把ECL分子固定在Au/SiO₂/Si电极表面的示意图；（b，d）使用3-巯基丙酸（b）和DNA（d）作为连接分子得到的归一化的ECL自干涉光谱。电解液为0.2 M的磷酸缓冲液（pH 7.4），共反应剂为30 mM的2-(二丁氨基)乙醇（DBAE）；电位从0.6 V扫到1.2 V，扫速为50 mV/s，光谱积分时间0.5 s

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者还使用ECLIS研究了Ru(bpy)₃²⁺/TPrA（三正丙胺）体系发光层的厚度。其原理为：1）在垂直于电极的方向把整个发光层划分为等间距的若干个ECL单分子层，每一层与电极之间的距离都不同；2）假设ECL光强沿着垂直于电极的方向线性下降；3）总的ECL自干涉光谱是所有ECL单分子层自干涉光谱的叠加。当理论计算的光谱与实验测得的光谱之间的差值最小时，此时离电极最远的ECL单分子层与电极之间的距离就是发光层的厚度。如图4所示，当Ru(bpy)₃²⁺的浓度增大时，干涉光谱发生明显的红移与展宽。这是因为当Ru(bpy)₃²⁺的浓度大于0.1 mM时，ECL以催化路径为主。此时，发光层的厚度主要取决于Ru(bpy)₃³⁺的分布。因为Ru(bpy)₃³⁺比TPrA自由基更稳定，扩散得更远，所以发光层厚度就更大。计算在低浓度（1 µM）和高浓度（1 mM）Ru(bpy)₃²⁺情况下，发光层的厚度分别约为350 ~ 450 nm和800 ~ 950 nm，小于文献中报道的数值。这可能是由于光谱仪的灵敏度较低，导致远离电极表面区域的ECL因为强度太弱而无法被检测到。

图4. 在1 µM Ru(bpy)₃²⁺/60 mM TPrA（黑线，光谱积分时间2 s）和1 mM Ru(bpy)₃²⁺/30 mM TPrA（红线，光谱积分时间0.5 s）溶液中，使用Au/SiO₂/Si电极测得的归一化的ECL自干涉光谱；电解液为0.2 M的磷酸缓冲液（pH 7.4），施加的电位为+1.2 V

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

综上，对于固定在电极表面的ECL单分子层，可以通过ECLIS测量单分子层与电极之间的距离。且该方法具有几个纳米的纵向空间分辨率。而对于溶液相的ECL，则可以通过ECLIS测量电极表面发光层的厚度。该方法能够分辨出不同反应路径ECL发光层厚度的差异。该工作为ECL纵向空间分辨的研究提供了一种新途径。

该工作近期以“Electrochemiluminescence Self-Interference Spectroscopy with Vertical Nanoscale Resolution”为题发表于J. Am. Chem. Soc.（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 1222-1226. DOI: 10.1021/jacs.9b12833）上，第一作者为王亚锋博士，通讯作者为苏彬教授（论文作者: Yafeng Wang, Weiliang Guo, Qian Yang, and Bin Su）。Au/SiO₂/Si电极的制备及表征得到了浙江大学光电系共享服务平台、浙江大学微纳加工中心及浙江大学化学系分析测试平台的支持与帮助。研究工作得到了国家自然科学基金（21874117、21575126）、浙江省自然科学基金（LZ18B050001）的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

关于人物与科研

在科技元素在经济生活中日益受到重视的今天，中国迎来了“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在化学领域，在追求创新驱动的大背景下，国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多非常优秀的课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，CBG资讯、ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官方微博、CBG微信订阅号等平台合力推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注他们的研究，倾听他们的故事，记录他们的风采，发掘他们的科研精神。欢迎联系：[e-mail]