注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
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（点击查看介绍）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.。
图1. ECLIS的原理示意图。
作者以覆盖了二氧化硅薄膜（厚度约6 µm）的硅片作为电极基底，利用电子束蒸发技术在薄膜上沉积约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）。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1）。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2）。通过计算得到以3-巯基丙酸和双链DNA作为连接分子时，ECL分子与电极的距离分别为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。而后者则与文献中报道的数值相符（10.5 nm）。
图2. 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。
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。如图3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3. 在1 µM Ru(bpy)32+/60 mM TPrA（黑线）和1 mM Ru(bpy)32+/30 mM TPrA（红线）溶液中，使用Au/SiO2/Si电极测得的归一化的ECL自干涉光谱。
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。
该工作近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，第一作者为博士研究生王亚锋，通讯作者为苏彬教授。
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Electrochemiluminescence Self-Interference Spectroscopy with Vertical Nanoscale Resolution
Yafeng Wang, Weiliang Guo, Qian Yang, Bin Su*
J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 1222-1226, DOI: 10.1021/jacs.9b12833
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。
https://www.x-mol.com/university/faculty/14394
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：电化学发光分析方法和技术一直是我们的研究兴趣。受文献中报道的荧光自干涉光谱的启发，我们便想到了将自干涉应用于电化学发光中。我们在以前做过一些薄膜光学干涉相关的研究，对薄膜光学干涉有一定的了解。于是就想到可以尝试一下电化学发光自干涉这种方法，并用其研究电化学发光中的一些问题。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：电极的制备具有一定的难度。实验中用到的电极需要有非常低的表面粗糙度、良好好的电化学活性且必须是透光的电极。最终，我们通过电子束蒸发技术制备了超薄的金电极。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。
此外，该项研究属于交叉学科的研究，其中需要不少薄膜光学干涉方面的知识，而我们的团队主要来源于化学专业，因此在薄膜光学干涉方面存在知识储备不足的问题。
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