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现代仪器分析
Contemporary Instrument Analysis
——— 电致化学发光 electrochemiluminescence
学习交流PPT
2014.10
1
Contents
电致化学发光的基本概念
电致化学的材料
纳米材料 半导体纳米材料
基于半导体纳米的电致化学发光 生物传感器
总结
学习交流PPT
➢在电化学发光的研究中，通过化学修饰的方法将直接或 间接参与化学发光反应的试剂固定在电极上而构建的一 类实验装置称为电致化学发光（ECL）传感器。
不互补的则观察不到荧光信号，从 而能实现高通量、快速检测DNA。
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28
QDs的电致化学发光原理
阴极ECL:
S2O82-
+
H2O2
hv
O2
阳极ECL:
+
C2O42胺源自文库物质
hv
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Bard, A. J. et al. Stru. Bond., 2005, 118, 1. 29
3.电致化学发光(ECL)生物传感器
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9
纳米材料的定义：
纳米材料 是指材料的基本结构单元至少有一维的
特 征 尺 寸 介 于 1~100 nm ， 并 由 于 纳 米 尺 寸 效 应 （ nanoscale size effect ） 、 表 面 / 界 面 效 应 （surface/interface effect）和量子限域效应（quantum confinement effect）而表现出奇异的、不同于相应的体 材料所具备的物理或化学特性的材料或材料体系。
量子点在体成像 (a) 量子点动物活体实验流程，(b) 量子点在活体动物 内的多色标记成像
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25
（4）
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26
基于荧光能量转移的QDs在生物大分子中的应用
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27
（5）生物芯片
生物芯片技术在基因型的检测上
具有高通量、快速、方便及试剂用 量 少 的 优 点 。 Parak 等 用 SMCC 将 表
(1)生物大分子之间的荧光探针识别 (2) 荧光标记与细胞成像 (3)生物组织的荧光成像和活体观察 (4)基于荧光能量转移的QDs在生物大分子相互作
用中的应用 (5)QDs用于电化学分析传感中。
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21
(1) 生物大分子之间的荧光探针识别
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22
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23
（2）细胞荧光标记与成像
单量子点：Au，Pd，Co等；
Ⅱ-Ⅵ族：CdSe，CdTe，ZnS，MgSe等；
Ⅲ-Ⅴ族：GaAs，InAs，GaSb等；
Ⅳ-Ⅳ族：SiC，SiGe；
Ⅳ族：Si，Ge；
Ⅳ-Ⅵ族：PbSe；
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12
量子点
结构特点 发光性质
三个维度的尺寸均为纳米级， 是准零维的纳米材料 其内部电子在各方向上的运动 都受到局限 可分为箱形、球形、四面、柱 形、立方、盘形和外场（电场 和磁场）诱导量子点
纳米材料被认为是“21世纪最有前途的材料”而成 为近二三十年的研究热点。
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10
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11
2.3 半导体纳米晶 (nanocrystals，NCs)
又可称半导体纳米粒子 (nanoparticles，NPs)、量子点 (quantum dots，QDs)：
少量原子构成 三维尺寸都在100nm以下，准零维的纳米材料
面带有巯基的，能发射不同荧光的 硅 烷 化 QDs 与 氨 基 修 饰 的 不 同 单 链 DNA 偶 联 ， 将 其 与 固 定 在 玻 片 表 面 的DNA进行杂交后洗去不结合的DNA， 用荧光落射显微镜观察发现:当玻片 上的DNA与QDs偶联的DNA互补时， 可以观察到QDs荧光出现在玻片上，
图：量子点的发光谱。可以看出，700nm波长为一个分界线，小于
700nm是发光为可见光，超过700nm为红外光。实验室常用为550nm
和620nm。
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20
半导体纳米晶在生命分析中的应用：
电极产物同溶液 中氧化还原剂发 生电子转移反应
A+e-→A-· Ae-→A+· A+·+R→A*+O A-·+O→A*+R
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5
2. 1.无机金属配合物 ——钌联吡啶
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6
纳 米 材 料
量子森林
复色量子点
量子点纳米管
量子点纳米晶体
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7
纳 米 材 料
石墨烯半导体量子点
2
1. 电致化学发光 (ECL)
电致化学发光（ECL）是通过在电极上施 加一定波形的电压或者电流信号进行电解 产物之间或与体系中共存组分反应产生化 学发光的现象。
是电极产物之间或产物与体系中某组分 进行化学反应所产生的一种光辐射，是 将电化学和化学发光结合起来的一种分 析技术。
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3
量子点的发射光谱可以通 过改变量子点的尺寸大小 来控制 具有很好的光稳定性 具有宽的激发谱和窄的发 射谱、荧光寿命长
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13
能带宽度：
量子点的发光原理：
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14
图为长颈瓶中不同尺寸 的硒化镉量子点在紫外 线的照射下发出荧光， 同样的在其他方式的激 发下，也有很好的发光 效果。
量子点感光元件
量子点半导体
学习交流P石PT 墨烯半导体量子点
8
人类认识自然的尺度范畴
宇观尺度：距地球最远星系约 220 亿光年 宏观尺度：肉眼可见范围，约 10-4 m 以上 介观尺度：包括微米、亚微米、纳米和团簇 原子原子核尺度：10-15 m --- 10-10 m 基本粒子尺度：10-19 m，包括夸克、轻子
2. 电致化学发光材料
无机金属配合物，如 Ru(bpy)3 2+及其衍生物
ECL发射材料
有机ECL发射材料，如多聚芳香 化合物及其衍生物、鲁米诺
半导体纳米晶，如CdS、 CdSe、CdTe
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4
电致化学发光的原理
氧化态与还原态 自由基离子之间 发生湮灭反应
R+e-→R-· Re-→R+· R+·+R-·→R*+R R* → R+hν
(a)Absorbance spectra ; (b)Emission spectra; (c)different colors of
QDs; (d) imaging of the same cell labeled with different QDs
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24
（3）生物组织的荧光成像和活体观察
Contemporary Instrument Analysis
——— 电致化学发光 electrochemiluminescence
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2014.10
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Contents
电致化学发光的基本概念
电致化学的材料
纳米材料 半导体纳米材料
基于半导体纳米的电致化学发光 生物传感器
总结
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➢在电化学发光的研究中，通过化学修饰的方法将直接或 间接参与化学发光反应的试剂固定在电极上而构建的一 类实验装置称为电致化学发光（ECL）传感器。
不互补的则观察不到荧光信号，从 而能实现高通量、快速检测DNA。
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28
QDs的电致化学发光原理
阴极ECL:
S2O82-
+
H2O2
hv
O2
阳极ECL:
+
C2O42胺源自文库物质
hv
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Bard, A. J. et al. Stru. Bond., 2005, 118, 1. 29
3.电致化学发光(ECL)生物传感器
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9
纳米材料的定义：
纳米材料 是指材料的基本结构单元至少有一维的
特 征 尺 寸 介 于 1~100 nm ， 并 由 于 纳 米 尺 寸 效 应 （ nanoscale size effect ） 、 表 面 / 界 面 效 应 （surface/interface effect）和量子限域效应（quantum confinement effect）而表现出奇异的、不同于相应的体 材料所具备的物理或化学特性的材料或材料体系。
量子点在体成像 (a) 量子点动物活体实验流程，(b) 量子点在活体动物 内的多色标记成像
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（4）
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基于荧光能量转移的QDs在生物大分子中的应用
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（5）生物芯片
生物芯片技术在基因型的检测上
具有高通量、快速、方便及试剂用 量 少 的 优 点 。 Parak 等 用 SMCC 将 表
(1)生物大分子之间的荧光探针识别 (2) 荧光标记与细胞成像 (3)生物组织的荧光成像和活体观察 (4)基于荧光能量转移的QDs在生物大分子相互作
用中的应用 (5)QDs用于电化学分析传感中。
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(1) 生物大分子之间的荧光探针识别
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（2）细胞荧光标记与成像
单量子点：Au，Pd，Co等；
Ⅱ-Ⅵ族：CdSe，CdTe，ZnS，MgSe等；
Ⅲ-Ⅴ族：GaAs，InAs，GaSb等；
Ⅳ-Ⅳ族：SiC，SiGe；
Ⅳ族：Si，Ge；
Ⅳ-Ⅵ族：PbSe；
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量子点
结构特点 发光性质
三个维度的尺寸均为纳米级， 是准零维的纳米材料 其内部电子在各方向上的运动 都受到局限 可分为箱形、球形、四面、柱 形、立方、盘形和外场（电场 和磁场）诱导量子点
纳米材料被认为是“21世纪最有前途的材料”而成 为近二三十年的研究热点。
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2.3 半导体纳米晶 (nanocrystals，NCs)
又可称半导体纳米粒子 (nanoparticles，NPs)、量子点 (quantum dots，QDs)：
少量原子构成 三维尺寸都在100nm以下，准零维的纳米材料
面带有巯基的，能发射不同荧光的 硅 烷 化 QDs 与 氨 基 修 饰 的 不 同 单 链 DNA 偶 联 ， 将 其 与 固 定 在 玻 片 表 面 的DNA进行杂交后洗去不结合的DNA， 用荧光落射显微镜观察发现:当玻片 上的DNA与QDs偶联的DNA互补时， 可以观察到QDs荧光出现在玻片上，
图：量子点的发光谱。可以看出，700nm波长为一个分界线，小于
700nm是发光为可见光，超过700nm为红外光。实验室常用为550nm
和620nm。
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半导体纳米晶在生命分析中的应用：
电极产物同溶液 中氧化还原剂发 生电子转移反应
A+e-→A-· Ae-→A+· A+·+R→A*+O A-·+O→A*+R
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5
2. 1.无机金属配合物 ——钌联吡啶
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纳 米 材 料
量子森林
复色量子点
量子点纳米管
量子点纳米晶体
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纳 米 材 料
石墨烯半导体量子点
2
1. 电致化学发光 (ECL)
电致化学发光（ECL）是通过在电极上施 加一定波形的电压或者电流信号进行电解 产物之间或与体系中共存组分反应产生化 学发光的现象。
是电极产物之间或产物与体系中某组分 进行化学反应所产生的一种光辐射，是 将电化学和化学发光结合起来的一种分 析技术。
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3
量子点的发射光谱可以通 过改变量子点的尺寸大小 来控制 具有很好的光稳定性 具有宽的激发谱和窄的发 射谱、荧光寿命长
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能带宽度：
量子点的发光原理：
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14
图为长颈瓶中不同尺寸 的硒化镉量子点在紫外 线的照射下发出荧光， 同样的在其他方式的激 发下，也有很好的发光 效果。
量子点感光元件
量子点半导体
学习交流P石PT 墨烯半导体量子点
8
人类认识自然的尺度范畴
宇观尺度：距地球最远星系约 220 亿光年 宏观尺度：肉眼可见范围，约 10-4 m 以上 介观尺度：包括微米、亚微米、纳米和团簇 原子原子核尺度：10-15 m --- 10-10 m 基本粒子尺度：10-19 m，包括夸克、轻子
2. 电致化学发光材料
无机金属配合物，如 Ru(bpy)3 2+及其衍生物
ECL发射材料
有机ECL发射材料，如多聚芳香 化合物及其衍生物、鲁米诺
半导体纳米晶，如CdS、 CdSe、CdTe
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4
电致化学发光的原理
氧化态与还原态 自由基离子之间 发生湮灭反应
R+e-→R-· Re-→R+· R+·+R-·→R*+R R* → R+hν
(a)Absorbance spectra ; (b)Emission spectra; (c)different colors of
QDs; (d) imaging of the same cell labeled with different QDs
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（3）生物组织的荧光成像和活体观察