发光强度测量

品牌：BPCL是Biological& Physical Chemiluminescence的缩写，1995年开始对外使用；超微弱发光测量仪，英文Ultra-WeakLuminescence Analyzer。 BPCL超微弱发光测量仪，是生物与化学光子计数器，又俗称为化学发光分析仪，是我国原中科院系统科研人员自主研发的一种可探测超微弱生物发光和化学发光的分析仪器，是我国最早商品化的微弱光测量产品。BPCL倾注了老一辈科研工作者的心血，其研制为发光研究提供了有力的科研工具，推动了我国甚至国际发光研究的发展，目前被众多高校、研究院所使用，产生了具有重大社会和经济效益。 涉及研究方向包括：发光分析检测技术研究（如：流动注射发光分析、毛细管电泳发光分析、生物传感器发光分析、纳米材料发光分析、自由基临床检验）、自由基生物学研究、药物抗氧化剂研究、细胞学超微弱发光研究、肿瘤医学研究、农业种质研究、花卉果实超微弱发光研究及农作物抗逆性研究。 BPCL微弱发光测量仪现有19个型号产品，覆盖近紫外、可见及近红外光谱领域微弱光检测，同时还有光谱扫描、多样品测试、温控等型号产品，以适应不同领域研发需求。由于BPCL独特和先进的光探测技术，利用此仪器可测定10^-15瓦的光强度，测量10^-13瓦的微弱光影可给出1-2万/秒的计数率，这对于生物体、细胞、DNA等生命物质的超微弱发光研究尤为重要。通过独特的接口计数，该仪器可实时获得发光动力学曲线，最快采集速度可达0.1毫秒，可用于快速发光反应的监测。 任何有生命的物质都可以自发的或在外界因素诱导下辐射出一种极其微弱的光子流，这种现象称为生物的超微弱发光（UltraweakPhoton Emission），亦被称为生物系统超弱光子辐射、自发发光等。超微弱发光只有10^-5~ 10 ^-8hυ / s cm ，量子产额(效率)为10^-14~ 10 ^-9，波长范围为180~800nm，从红外到近紫外波段。1.BPCL电化学发光测试原理 电化学发光分析技术（Electrogeneratedchemiluminescence,ECL）。ECL是一种在电极表面由电化学引发的特异性化学发光反应。包括了两个过程。发光底物二价的三联吡啶钌及反应参与物三丙胺在电极表面失去电子而被氧化。氧化的三丙胺失去一个H成为强还原剂，将氧化型的三价钌还原成激发态的二价钌，随即释放光子恢复为基态的发光底物。最好的发光标记物-三联吡啶钌分子量小，结构简单。可以标记于抗原，抗体，核酸等各种分子量，分子结构的物质。从而具有最齐全的检测菜单。三联吡啶钌为水溶性，且高度稳定的小分子物质。保证电化学发光反应的高效和稳定，而且避免了本底噪声干扰。 简单来理解，ECL是在电极上施加一定的电压使电极反应产物之间或电极反应产物与溶液中某组分进行化学反应而产生的一种光辐射，其作为一种新的痕量分析手段越来越引人注目。1.1电化学反应过程 在工作电极上(阳极)加一定的电压能量作用下，二价的三氯联吡啶钌[Ru(bpy)3]2+释放电子发生氧化反应而成为三价的三氯联吡啶钌[Ru(bpy)3]3+，同时，电极表面的TPA也释放电子发生氧化反应而成为阳离子自由基 TPA+，并迅速自发脱去一个质子而形成三丙胺自由基TPA，这样，在反应体系中就存在具有强氧化性的三价的三氯联吡啶钌[Ru(bpy)3]3+和具有强还原性的三丙胺自由基TPA。1.2化学发光过程 具有强氧化性的三价的三氯联吡啶钌[Ru(bpy)3]3+和具有强还原性的三丙胺自由基 TPA发生氧化还原反应，结果使三价的三氯联吡啶钌[Ru(bpy)3]3+还原成激发态的二价的三氯联吡啶钌[Ru(bpy)3]2+，其能量来源于三价的三氯联吡啶钌[Ru(bpy)3]3+与三丙胺自由基TPA之间的电势差，激发态[Ru(bpy)3]2+以荧光机制衰变并以释放出一个波长为620nm光子的方式释放能量，而成为基态的[Ru(bpy)3]2+。1.3循环过程 上述化学发光过程后，反应体系中仍存在二价的三氯联吡啶钌[Ru(bpy)3]2+和三丙胺(TPA)，使得电极表面的电化学反应和化学发光过程可以继续进行，这样，整个反应过程可以循环进行。 通过上述的循环过程，测定信号不断的放大，从而使检测灵敏度大大提高，所以ECL测定具有高灵敏的特点。上述的电化学发光过程产生的光信号的强度与二价的三氯联吡啶钌[Ru(bpy)3]2+的浓度成线性关系。将二价的三氯联吡啶钌[Ru(bpy)3]2+与免疫反应体系中的一种物质结合，经免疫反应、分离后，检测免疫反应体系中剩余二价的三氯联吡啶钌[Ru(bpy)3]2+经上述过程后所发出的光，即可得知待检物的浓度。1.4电化学发光剂定义：指通过在电极表面进行电化学反应而发出光的物质。特点：反应在电极表面进行发光标记物/化学发光剂：三联吡啶钌Ru(bpy)32+共反应剂/电子供体为：三丙胺（TPA）电化学发光启动条件：直流电场反应产物：三丙胺自由基(TPA*)+620nm的光子最终检测信号：可见光强度反应特点：迅速、可控、循环发光三联吡啶钌“催化”三丙胺发出可见光2.BPCL化学/电化学发光分析领域的应用案例2.1 医学及药学领域 BPCL在临床上，其可直接或与免疫技术结合，通过化学/电化学发光技术，其可用于甲状腺激素、生殖激素、肾上腺/垂体激素、贫血因子、肿瘤标记物、癌细胞等物质的检测；另外，基于活性氧诱导的化学发光现象，其可实现体内及光治疗过程产生的活性氧的检测。2.1.1 Ru@SiO2表面增强电化学发光检测痕量癌胚抗原 癌胚抗原（CEA）被认为是反映人体中各种癌症和肿瘤存在的疾病生物标志物。体液中CEA的灵敏检测利于癌症的临床诊断和治疗评估。 在此，本文提出了一种基于Ru（bpy）32+的局域表面等离子体共振（LSPR）增强电化学发光（ECL）超灵敏测定人血清中CEA的新方法。在这种表面增强ECL（SEECL）传感方案中，Ru（bpy）32+掺杂的SiO2纳米颗粒(Ru@SiO2)并且AuNPs用作LSPR源以增强ECL信号。两种不同种类的CEA特异性适体在Ru@SiO2和AuNP。在CEA存在的情况下Ru@SiO2-将形成AuNPs纳米结构。我们的研究表明Ru@SiO2可以通过AuNP有效地增强。一层Ru@SiO2-AuNPs与不存在AuNP的纳米结构的ECL相比，纳米结构将产生约3倍的ECL增强。通过多层Ru@SiO2-AuNPs纳米架构。在最佳条件下，人血清CEA的检测限为1.52×10^-6ng/mL。 据我们所知，对于ECL传感器，从未报道过具有如此低LOD的CEA测定。2.1.2 基于连接探针的电化学发光适体生物传感器，检测超痕量凝血酶的信号 基于结构切换电化学发光猝灭机制，本文中开发了一种用于检测超痕量凝血酶的新型连接探针上信号电化学发光适体生物传感器。ECL适体生物传感器包括两个主要部分：ECL底物和ECL强度开关。ECL衬底是通过修饰金电极（GE）表面的Au纳米颗粒和钌（II）三联吡啶（Ru（bpy）32+–AuNPs）的络合物制成的，ECL强度开关包含三个根据“结-探针”策略设计的探针。 第一种探针是捕获探针（Cp），其一端用巯基官能化，并通过S–Au键共价连接到Ru（bpy）32+–AuNPs修饰的GE上。 第二个探针是适体探针（Ap），它含有15个碱基的抗凝血酶DNA适体。 第三种是二茂铁标记探针（Fp），其一端用二茂铁标签进行功能化。 文中证明，在没有凝血酶的情况下，Cp、Ap和Fp将杂交形成三元“Y”结结构，并导致Ru（bpy）32+的ECL猝灭。然而，在凝血酶存在的情况下，Ap倾向于形成G-四链体适体-凝血酶复合物，并导致Ru（bpy）32+的ECL的明显恢复，这为凝血酶的检测提供了传感平台。利用这种可重复使用的传感平台，开发了一种简单、快速、选择性的ECL适体生物传感器信号检测凝血酶，检测限为8.0×10^-15M。 本生物传感器的成功是朝着在临床检测中监测超痕量凝血酶的发展迈出的重要一步。2.1.3 Ru（phen）32+掺杂二氧化硅纳米粒子的电化学发光共振能量转移及其在臭氧“开启”检测中的应用 首次报道了灵敏检测臭氧的电化学发光（ECL）方法和利用臭氧进行电化学发光共振能量转移（ECRET）的方法。 它是基于Ru（phen）32+掺杂的二氧化硅纳米颗粒（RuSiNPs）对靛蓝胭脂红的ECRET。在没有臭氧的情况下，RuSiNP的ECL由于RuSiNP对靛蓝胭脂红的ECRET而猝灭。在臭氧存在的情况下，系统的ECL被“打开”，因为臭氧可以氧化靛蓝胭脂红，并中断从RuSiNP到靛蓝胭脂的ECRET。通过这种方式，它通过所提出的基于RuSiNP的ECRET策略提供了臭氧的简单ECL传感，线性范围为0.05-3.0μM，检测限（LOD）为30nM。检测时间不到5分钟。该方法也成功应用于人体血清样品和大气样品中臭氧的分析。2.1.4 用二极管实现数码相机灵敏视觉检测，使无线电极阵列芯片的电化学发光强度提高数千倍 首次报道了无线电化学发光（ECL）电极微阵列芯片和通过在电磁接收器线圈中嵌入二极管来显著提高ECL。新设计的设备由一个芯片和一个发射机组成。该芯片有一个电磁接收线圈、一个迷你二极管和一个金电极阵列。该微型二极管可以将交流电整流为直流电，从而将ECL强度提高18000倍，从而能够使用普通相机或智能手机作为低成本探测器进行灵敏的视觉检测。使用数码相机检测过氧化氢的极限与使用基于光电倍增管（PMT）的检测器的极限相当。与基于PMT的检测器相结合，该设备可以以更高的灵敏度检测鲁米诺，线性范围从10nM到1mM。由于具有高灵敏度、高通量、低成本、高便携性和简单性等优点，它在护理点检测、药物筛选和高通量分析中很有前途。2.1.5 中晶体和仿生催化剂调控肿瘤标志物的比例电化学发光免疫分析 本文以壳聚糖功能化碘化银（CS-AgI）为仿生催化剂，研制了一种基于八面体锐钛矿介晶（OAM）载体的比率电化学发光免疫传感器，用于α胎儿蛋白（AFP）的超灵敏测定。所提出的系统是通过选择鲁米诺和过硫酸钾（K2S2O8）作为有前途的ECL发射单元来实现的，因为它们具有潜在的分辨特性和最大发射波长分辨特性。采用具有高孔隙率、定向亚基排列和大表面积的OAM吸附鲁米诺形成固态ECL，并作为亲和载体首次固定了大量AFP（Ab）抗体。 此外，发现CSAgI具有仿生催化剂活性，可以催化作为鲁米诺和K2S2O8共同助反应剂的过氧化氢的分解，从而放大了双ECL响应。当生物传感器在CSAgI标记的AFP的混合溶液中孵育时(CS-AgI@AFP)和目标AFP，这是由于对CS-AgI@AFP和目标AFP与AbCS-AgI@AFP固定化Ab捕获的蛋白质随AFP浓度的增加而减少，因此，双ECL反应减少。基于两个激发电位下ECL强度的比值，这种提出的比率ECL策略通过竞争性免疫反应实现了对α胎儿蛋白的超灵敏测定，线性检测范围为1fg/ml至20ng/ml，检测限为1fgg/ml2.1.6 一种新型放大电化学发光生物传感器(基于AuNPs@PDA@CuInZnS量子点纳米复合材料)，用于p53基因的超灵敏检测 在这项工作中，首次设计了一种基于Au的新型表面等离子体共振（SPR）增强电化学发光（ECL）生物传感模型NPs@polydopamine（PDA）@CuInZnS量子点纳米复合材料。 通过静电力用PDA层涂覆AuNP。CuInZnS量子点结合在Au表面NPs@PDA纳米复合材料。CuInZnS量子点在传感应用中起到了ECL发光体的作用。PDA壳层不仅控制了AuNPs和QDs之间的分离长度以诱导SPR增强的ECL响应，而且限制了电势电荷转移和ECL猝灭效应。结果，纳米复合材料的ECL强度是具有K2S2O8的量子点的两倍。在扩增的ECL传感系统中检测到肿瘤抑制基因p53。 该传感方法的线性响应范围为0.1nmol/L至15nmol/L，检测限为0.03nmol/L。基于该纳米复合材料的DNA生物传感器具有良好的灵敏度、选择性、重现性和稳定性，并应用于加标人血清样品，取得了满意的结果。2.1.7铕多壁碳纳米管作为新型发光体，在凝血酶电化学发光适体传感器中的应 提出了一种新的电化学发光（ECL）适体传感器，用于凝血酶（TB）的测定，该传感器利用核酸外切酶催化的靶循环和杂交链式反应（HCR）来放大信号。捕获探针通过Au-S键固定在Au-GS修饰的电极上。随后，捕获探针和互补凝血酶结合适体（TBA）之间的杂交旨在获得双链DNA（dsDNA）。TB与其适体之间的相互作用导致dsDNA的解离，因为TB对TBA的亲和力高于互补链。在核酸外切酶存在的情况下，适体被选择性地消化，TB可以被释放用于靶循环。通过捕获探针的HCR和两条发夹状DNA链（NH2-DNA1和NH2-DNA1）形成延伸的dsDNA。然后，可以通过NH2封端的DNA链和Eu-MWCNT上的羧基之间的酰胺化反应引入大量的铕多壁碳纳米管（Eu-MWCNTs），导致ECL信号增加。 多种扩增策略，包括分析物回收和HCR的扩增，以及Eu-MWCNTs的高ECL效率，导致宽的线性范围（1.0×10-12-5.0×10-9mol/L）和低的检测限（0.23pmol/L）。将该方法应用于血清样品分析，结果令人满意。2.2 环境领域 采用BPCL已建立了众多灵敏快速检测环境污染物、环境激素、环境干扰物、自由基的发光分析方法。此外有有研究人员将其与臭氧化学发光结合应用于水体COD分析。其突出优点是仪器方法简单、易操作、线性范围宽、灵敏度高。 2.2.1 Fenton体系降解持久性氯化酚产生本征化学发光的机理：醌类和半醌自由基中间体的构效关系研究及其关键作用 在环境友好的高级氧化过程中，所有19种氯酚类持久性有机污染物都可以产生本征化学发光（CL）。然而，结构-活性关系（SAR，即化学结构和CL生成）的潜在机制仍不清楚。在这项研究中，本文中发现，对于所有19种测试的氯酚同系物，CL通常随着氯原子数量的增加而增加；对于氯酚异构体（如6种三氯苯酚），相对于氯酚的-OH基团，CL以间-＞邻-/对-CL取代基的顺序降低。 进一步的研究表明，在Fenton试剂降解三氯苯酚的过程中，不仅会产生氯化醌中间体，而且更有趣的是，还会产生氯化半醌自由基；其类型和产率由OH-和/或Cl取代基的定向效应、氢键和空间位阻效应决定。 更重要的是，观察到这些醌类中间体的形成与CL的产生之间存在良好的相关性，这可以充分解释上述SAR发现。 这是关于醌和半醌自由基中间体的结构-活性关系研究和关键作用的第一份报告，这可能对未来通过高级氧化工艺修复其他卤代持久性有机污染物的研究具有广泛的化学和环境意义。2.2.2 介质阻挡放电等离子体辅助制备g-C3N4-Mn3O4复合材料，用于高性能催化发光H2S气体传感 提出了一种新的、简单的基于介质阻挡放电（DBD）等离子体的快速制备g-C3N4-Mn3O4复合材料的策略。所获得的g-C3N4-Mn3O4可作为一种优良的H2S气体传感催化发光（CTL）催化剂，具有优异的选择性、高灵敏度、快速稳定的响应。 基于所提出的传感器能够检测到亚ppm水平的H2S，为在各个领域监测H2S提供了一种极好的替代方案。采用SEM、TEM、XPS、XRD、N2吸附-脱附等测试手段对合成的传感材料进行了表征。该复合材料具有较小的颗粒尺寸和较大的比表面积，这可能归因于氧化非平衡等离子体蚀刻。 此外，该合成以Mn2+浸渍的g-C3N4为唯一前驱体，以空气为工作气体，不含溶剂、额外的氧化剂/还原剂或高温，具有结构简单、操作方便、速度快等优点，并且它可以容易地大规模实施，并扩展到制造用于不同目的的各种金属氧化物改性复合材料。2.2.3表面增强电化学发光，用于汞离子痕量的检测 Ru(bpy) 3^2+的电化学发光（ECL）在分析化学中有着广泛的应用。在此，我们提出了一种通过金纳米棒（AuNR）的局域表面等离子体共振（LSPR）来增强Ru(bpy)3^2+的ECL的新方法。 我们的研究表明，通过控制Ru(bpy)3^2+与AuNRs表面之间的距离，可以大大增强ECL强度。我们将这种表面等离子体激元诱导的ECL增强称为表面增强电化学发光（SEECL）。利用这种SEECL现象来制备用于痕量Hg2+检测的生物传感器。SEECL生物传感器是通过在金电极表面自组装AuNRs和富含T的ssDNA探针来制备的。随着Hg2+的存在，ssDNA探针的构象通过形成T-Hg2+-T结构而变为发夹状结构。Ru(bpy)3^2+可以插入发夹结构DNA探针的凹槽中产生ECL发射，AuNR的LSPR可以增强ECL发射。传感器的ECL强度随着Hg2+浓度的增加而增加，并且在水溶液中达到10fMHg2+的检测极限。研究了AuNR不同LSPR峰位对生物传感器灵敏度的影响。 结果表明，Ru(bpy)3^2+的LSPR吸收光谱和ECL发射光谱之间的良好重叠可以实现最佳的ECL信号增强。2.3 农林业领域 BPCL在农业上有着十分广阔的应用价值。植物的超弱发光来自于体内的核酸代谢、呼吸代谢以及各种氧化还原过程，它变化与植物体内的生理生化变化密切相关．边种广泛存在于体内的自发辐射与机体代谢活动、能量转化之间存在着磐然的联系．因此，利用它作为代谢指标的应用研究就很快引起了广泛的重视。 超弱发光可以作为一种反映生命过程及变化的极其灵敏的指标。另一方面，由于植物的超弱发光与环境密切相关，在不同植物、不同的环境条件下超弱发光均有所不同。 BPCL可以探测植物的超弱发光，研究植物的盐碱、抗旱、抗热、抗寒乃至抗病的指标，从而为抗逆性育种提供一种新的灵敏的物理方法。植物的超弱发光能在一定程度上反映植物生活力的大小，所以可用超弱发光鉴定植物或种子的活力．用超弱发光鉴定种子的活力用样品量少又不破坏种子，对于种子量少的珍贵品种极其有益。此外，BPCL还可以用于农蔬作物新鲜度的评价、污染物残留量分析、辐照食品的检测。2.3.1 基于生物延迟发光，评价玉米萌发期抗旱性。（西安理工大学习岗） 玉米种子萌发抗旱性评价是节水农业研究中的难点和热点问题之一，生物延迟发光分析技术的应用有可能解决这一问题。采用生物延迟发光评价方法研究了玉米种子萌发期的抗旱性能力,延迟发光积分强度的升高有不同的抑制作用,胁迫强度越大。以下为玉米萌发过程中的延迟发光积分强度的变化：2.3.2 盐胁迫下绿豆幼苗的超微弱发光（山东理工大学王相友） 对不同 NaCl 浓度胁迫下绿豆种子早期萌发时的超微弱发光变化进行了初步研究。结果表明，随 NaCI 浓度的增加，绿豆胚根的生长速度(根长)减慢，生长受到明显抑制，其超微弱发光的强度显著下降。萌发期间，SOD 活性随着盐浓度的增加而降低，其活性与生物光子强度有极为密切的关系。 这些结果表明生物超微弱发光探测技术有可能成为植物盐胁迫研究的有效工具，对于进一步理解盐胁迫机理有一定的意义。2.3.3 苹果成熟过程中超弱发光强度与果实跃变的关系（山东理工大学王相友） 用1-甲基环丙烯(1-methyicyclopropene,1-MCP)和乙烯利两种化学药剂，测定了红富士苹果果实超弱发光强度的变化及与乙烯释放、呼吸的关系。 结果显示,各处理果实超弱发光强度的变化与呼吸、乙烯释放速率的变化趋势相似,均有明显的高峰出现,且出峰时间一致。乙烯利处理加速了果实软化,使果实超弱发光强度峰直出现时间提前,并加速了果实跃变后超弱发光强度的衰减:1-MCP 处理延缓了果实的衰老,使果实超弱发光强度峰值推迟,并减弱了峰值过后超弱发光强度的衰减。超弱发光强度能反映富士苹果成熟过程中代谢的变化。2.4 材料领域2.4.1 有机改性水滑石量子点纳米复合材料作为新型化学发光共振能量转移探针 在本工作中，通过在有机改性的LDH外表面上以十二烷基苯磺酸钠双层束的形式高度有序和交替地组装痕量CdTe量子点，制备了定向发光量子点（QD）-层状双氢氧化物（LDH）纳米复合材料。 有趣的是，新型QD-LDH纳米复合材料可以显著增强鲁米诺-H2O2体系的化学发光（CL），这归因于H2O2对QD氧化的抑制、辐射衰减率的增加以及对QDs的非辐射弛豫的抑制。 此外，以鲁米诺为能量供体，以固体发光QD-LDH纳米复合材料为能量受体进行信号放大，制备了一种新型的基于流通柱的CL共振能量转移。通过使用鲁米诺-H2O2CL系统测定H2O2来评估该流通柱的适用性。CL强度在0.5至60μM的浓度范围内对H2O2表现出稳定的响应，检测限低至0.3μM。 最后，该方法已成功应用于雪样品中H2O2的检测，结果与标准分光光度法一致。我们的研究结果表明，新型发光量子点-LDH纳米复合材料将用于高通量筛选具有不同尺寸量子点的复杂系统。2.4.2 油膜碳糊电极热电子诱导阴极电化学发光及其在邻苯二酚纳摩尔测定中的应用 首次在油膜覆盖碳糊电极（CPE）上研究了Ru(bpy)32+/S2O82-体系在阴极脉冲极化下的热电子诱导阴极电化学发光。与其他电极相比，CPE具有更低的背景、更好的稳定性和再现性。该方法也适用于邻苯二酚的测定。 在最佳条件下，在2.0*10^-10mol/L~4.0*10^-9 mol/L和4.0*10^-9mol/L~4.0*10^-7 mol/L范围内，观察到猝灭ECL强度（DI）与邻苯二酚浓度对数（logCcatechol）之间的线性相关性，检测限（LOD）为2.0*10^-10mol/L，低于其他报道的方法。 将该方法应用于水库水中邻苯二酚的测定。平均回收率为83.3%–99.0%，相对标准偏差为0.8%–2.2%。2.4.3 等离子体辅助增强Cu/Ni金属纳米粒子的超弱化学发光 采用具有类似Kirkendall效应的简单水溶液法合成了具有稳定荧光和良好水分散性的Cu/Ni纳米颗粒。60±5nm铜镍摩尔比为1:2的Cu/NiNP显著增强了碳酸氢钠（NaHCO3）与过氧化氢（H2O2）在中性介质中氧化反应产生的超微弱化学发光（CL）。时间依赖性CL的增强取决于NP的组成和试剂添加的顺序。 在研究CL发射光谱、电子自旋共振光谱、紫外-可见吸收光谱和荧光光谱的基础上，提出了等离子体辅助金属催化这种金属NP（MNP）增强CL的机理。MNP的表面等离子体可以从化学反应中获得能量，形成活化的MNP（MNP*），与OH自由基偶联产生新的加合物OH-MNP*。OH-MNP*可以加速HCO3-生成发射体中间体（CO2）2*的反应速率，从而提高整个反应的CL。2.5 食品领域 BPCL可以用于食品中的微生物/病原体及其毒素、痕量金属离子、抗生素、氧自由基、含氮、硫、磷物质、抗坏血酸、有机酸以及辐照食品的分析检测。2.5.1 基于光谱阵列的单一催化发光传感器及其在葡萄酒鉴定中的应用 识别复杂混合物，特别是那些成分非常相似的混合物，仍然是化学分析中一个具有挑战性的部分。本文利用MgO纳米材料在封闭反应池（CRC）中构建的单一催化发光（CTL）传感器来识别醋。它可以提供这种类型的高度多组分系统的原型。通过扫描反应期间分布在15个波长的CTL光谱，获得了醋的光谱阵列图案。这些就像他们的指纹。然后通过线性判别分析（LDA）对阵列的CTL信号进行归一化和识别。对九种类型和八个品牌的醋以及另外一系列的人造样品进行了测试；人们发现这项新技术能很好地区分它们。 这种单一传感器在实际应用中表现出了对复杂混合物分析的良好前景，并可能提供一种识别非常相似的复杂分析物的新方法。2.5.2 层状双氢氧化物纳米片胶体诱导化学发光失活对食品中生物胺浓度的影响 通过氢键识别打开/关闭荧光和视觉传感器在文献中已经明确确立。显然没有充分的理由忽视氢键诱导的化学发光失活(CL)。 在本工作中，作为新型CL催化剂和CL共振能量转移受体(CRET)，层状双氢氧化物(LDH)纳米片胶体可以显著提高双(2,4,6-三氯苯基)草酸盐(TCPO)-H2O2体系的CL强度。另一方面，生物胺可以选择性地抑制LDH纳米片TCPO–H2O2系统的CL强度，这是由于光致发光LDH纳米片通过O–H…N键取代O–HO键而失活的结果。 此外，组胺被用作食品腐败的常见指标，发现CL强度与组胺浓度在0.1–100uM范围内呈线性关系，组胺(S/N=3)的检测限为3.2nM。所提出的方法已成功应用于追踪变质鱼类和猪肉样品的组胺释放，显示出这些样品中生物胺水平的时间依赖性增加。2.5.3 碳酸盐夹层水滑石增强过氧亚硝酸化学发光,检测抗坏血酸的高选择性 在本研究中，发现Mg-Al碳酸酯层状双氢氧化物（表示为Mg-Al-CO3LDHs）催化过氧硝酸（ONOOH）的化学发光（CL）发射。CL信号的增强是由于过亚硝酸根（ONOO）通过静电吸引在LDHs表面的浓度，这意味着ONOO可以容易有效地与嵌入的碳酸盐相互作用。此外，抗坏血酸可以与ONOO或其分解产物（例如_OH和_NO2）反应，导致Mg-Al-CO3-LDHs催化的ONOOH反应的CL强度降低。 基于这些发现，以Mg-Al-CO3-LDHs催化的ONOOH为新的CL体系，建立了一种灵敏、选择性和快速的CL法测定抗坏血酸。CL强度在5.0至5000nM的范围内与抗坏血酸的浓度成比例。检测限（S/N=3）为0.5nM，9次重复测量0.1mM抗坏血酸的相对标准偏差（RSD）为2.6%。 该方法已成功应用于商业液体果汁中抗坏血酸的测定，回收率为97–107%。这项工作不仅对更好地理解LDHs催化的CL的独特性质具有重要意义，而且在许多领域具有广泛的应用潜力，如发光器件、生物分析和标记探针。2.6 气相催化发光2.6.1 基于纳米ZnS的四氯化碳催化发光气体传感 基于四氯化碳在空气中氧化纳米ZnS表面的催化发光（CTL），提出了一种新的灵敏的气体传感器来测定四氯化碳。详细研究了其发光特性及最佳工艺条件。 在优化的条件下，CTL强度与四氯化碳浓度的线性范围为0.4–114ug/mL，相关系数（R）为0.9986，检测限（S/N=3）为0.2ug/mL。5.9ug/mL四氯化碳的相对标准偏差（R.S.D.）为2.9%（n=5）。 对甲醇、乙醇、苯、丙酮、甲醛、乙醛、二氯甲烷、二甲苯、氨和三氯甲烷等常见异物无反应或反应较弱。在4天的40小时内，传感器的催化活性没有显著变化，通过每小时收集一次CTL强度，R.S.D.小于5%。该方法简便灵敏，具有检测环境和工业中四氯化碳的潜力。2.6.2 珊瑚状Zn掺杂SnO2的一步合成及其对2-丁酮的催化发光传感 将一维纳米级构建块自组装成功能性的二维或三维复杂上部结构具有重要意义。在这项工作中，我们开发了一种简单的水热方法来合成由纳米棒组装的珊瑚状Zn掺杂SnO2分级结构。利用XRD、SEM、TEM、XPS、FTIR和N2吸附-脱附对所得样品的组成和微观结构进行了表征。通过研究在不同反应时间合成的样品，探讨了生长机理。作为催化发光（CTL）气体传感器的传感材料，这种珊瑚状Zn掺杂的SnO2表现出优异的CTL行为（即，与其他15种常见的挥发性有机化合物（VOC）相比，具有高灵敏度、对2-丁酮的优异选择性以及快速响应和回收）。在相同的条件下测试了SnO2样品的三种不同Zn/Sn摩尔比，以证明Zn掺杂浓度对传感性能的影响。在最佳实验条件下，进一步研究了基于1∶10Zn掺杂SnO2传感材料的CTL传感器对2-丁酮的分析特性。气体传感器的线性范围为2.31–92.57ug/mL（R=0.9983），检测限为0.6ug/mL(S/N=3)。2.6.3 缺陷相关催化发光法检测氧化物中的氧空位 氧空位可以控制氧化物的许多不同性质。然而，氧空位的快速简单检测是一个巨大的挑战，因为它们的种类难以捉摸，含量高度稀释。在这项工作中，本文中发现TiO2纳米颗粒表面乙醚氧化反应中的催化发光（CTL）强度与氧空位的含量成正比。氧空位依赖性乙醚CTL是由于氧空位中大量的化学吸附O2可以促进其与化学吸附的乙醚分子的接触反应，从而显著提高CTL强度。因此，乙醚CTL可以用作TiO2纳米颗粒中氧空位的简单探针。通过检测金属离子掺杂的TiO2纳米粒子（Cu、Fe、Co和Cr）和氢处理的TiO2纳米粒子在不同温度下在具有可变氧空位的TiO2表面上的乙醚CTL强度，验证了其可行性。本CTL探针测得的氧空位含量与常规X射线光电子能谱（XPS）技术测得的结果基本一致。与已经开发的方法相比，所开发的CTL探针的优越性能包括快速响应、易于操作、低成本、长期稳定性和简单配置。本文认为氧空位敏感的CTL探针在区分氧化物中的氧空位方面具有很大的潜力。

镧系发光纳米温度探针及光学测温技术胡倩1 朱幸俊11上海科技大学物质科学与技术学院生物体温度监测在医学诊断和治疗方面有着重要意义。传统的生物体测温方式依赖于侵入式探头或者局限于体表检测的热成像设备。对于体内深层组织的无损温度探测仍然是一项挑战。光学测温技术基于温度敏感的发光材料和器件，以光信号作为输出实现温度检测。在发光材料中，镧系发光纳米材料（LLNs）具有光稳定性好、发射谱带丰富、低自发荧光干扰等独特优点，在体内成像检测和疾病诊断方面具有广泛应用。目前已报道了一系列LLNs的发光信号的强度、寿命等光学性质与温度相关，因此可以作为温度检测探针。与此同时，LLNs本身的纳米级尺寸有别于传统温度检测的宏观设备，因此可以胜任亚细胞级别的微观热效应检测以及热传递过程研究，提升测温的空间精度，借助LLNs的近红外发光，能进一步提高光信号在组织中穿透深度，更好的实现深组织、非侵入性温度检测。（一）LLNs温度探针的测温策略温度可以改变LLNs的发光强度比、带宽、光谱偏移、寿命等方式影响LLNs的发光特性[1]-[3]。其中，发光强度比和发光寿命这两种策略受生理环境的干扰更小，从而具有更高的测温准确性[4]-[5]。基于发光强度比率构建温度探针电子在两个相邻激发能级（能级差一般小于1000 cm-1）中的分布与温度有关，满足Boltzmann分布，因此具有热依赖性的两个能级发光强度比与温度之间的关系可描述为, [6]-[7]，其中I2/I1为两个能级的发射强度比；ΔE是两个能级能量差，C是由发光基质材料确定的常数,T为温度,kB为玻耳兹曼常数。因此，通过在不同温度下检测两条发射峰的比值，可得到温度以发射强度比值的关系，作为温度检测的校正曲线。基于发光寿命构建温度探针在LLNs体系中，温度敏感的能量转移也会导致激发态寿命的变化，从而可以测量在脉冲激发下特定能级跃迁的寿命与温度的依赖关系，通过发光衰减曲线推断温度信息[8]-[9]。（二）LLNs测温技术与设备基于发光强度比率的测温技术较为直观，相关设备的设置与光谱检测系统类似，主要特点是恒温控制系统的附加。其装置如图1所示，由半导体激光器、样品台、控温器、滤光片、光谱检测器和计算机组成，其中激光器、样品台、滤光片、光谱检测器用于发光材料的光信号激发与收集，控温器件用于样品的恒温与变温进而得到不同温度的光谱。类似的基于发光强度比率的成像检测设备的光谱检测器被替换为CCD相机，通过滤光片系统采集不同波段的发射带，通过光强度成像图的计算得到温度分布结果。光强比率测温技术的设备较为简单，但这项测温方法易受生物环境引起的光散射或吸收的干扰[4]，需在组织或模拟组织的假体中对温度曲线进行校正来减小误差[10]；基于发光比率的温度检测其优点是检测速度较快，对于快速变化的温度具有更好的实时跟踪能力。发光寿命作为荧光团固有特性，受环境干扰较小，因此可以提高测量准确性[11]-[12]，而且LLNs的发光寿命相对小分子荧光探针更长，对于基于成像的寿命检测系统的构建相对短寿命检测难度较低。具体的设备构建如图2所示，将常规的荧光成像代替为时间门控荧光成像系统，配合波形发生器、斩波器等，对相机的分辨率要求高，并且由于寿命衰减曲线的测试需要借助时间门控单元，对光信号进行多次采集，因此获取完整衰减曲线的图像时间较长，不利于检测快速变化的温度信号[8]。两种发光温度检测技术各有优势，目前研究工作中所报道的比率型温度检测技术较为成熟，寿命检测的测温技术仍然处于优化阶段，主要难点是长波长近红外发射的寿命检测技术尚不成熟。图1. 基于发光强度比率温度计的实验设备图2. 基于发光寿命温度计的实验设备[8]（三）LLNs温度探针的生物应用LLNs体内无创温度监测的特性促使了一些新兴的生物医学领域应用，尤其在疾病诊断和指导治疗方面[4],[13]-[16]。我们最近总结了基于镧系发光纳米复合材料的温度检测技术及其生物学应用的研究工作，并梳理了不同测温技术在生物应用上的特点（Chem. Eur. J., 2022, 28, e202104237），希望和大家一起探讨光学测温技术的应用空间以及相关设备的研制。基于LLNs的生物体温度检测，近年来我们开展了一系列的应用。例如我们曾经报道了一种以上转换发光材料为核心（NaLuF4:Yb,Er@NaLuF4)，以光热材料（碳）作为外壳的LLNs，其中上转换发光材料的Er3+发光中心特征的525与545 nm发射强度的比值与温度呈现相关性，因此可作为光学温度探针。通过检测光热过程中的微观温度变化，进一步发现光热效应下纳米颗粒的升温幅度和速率大于常规的外部加热方式。利用这一特性，可以实现温和宏观温度下的微观高温，进而在保证光热治疗剂标记的恶性细胞被有效杀伤的同时，减少不必要的热扩散而损伤病灶周边的正常组织，提升治疗的精度（如图3a）[17]。寿命检测技术上，复旦大学李富友课题组利用PAA-PEG包裹的NaNdF4:Yb@CaF2纳米颗粒，此种材料的Yb3+离子能够发射980 nm光信号，由于Nd3+与Yb3+在不同温度下的能量传递效率不同，Yb3+的980 nm发光寿命随着温度发生线性变化。在活体动物光学成像仪上进行了时间门控系统的附加，利用脉冲激光器对材料进行照射，然后采集材料的发光衰减，最终获得温度-寿命曲线，进一步在活体动物的血管部位进行光信号的采集，考察血管内血液温度与血流相关性，为心血管疾病的诊断和疗效评估提供了重要途径（如图3b）[8]。图3. (a)基于强度比率的Er3+掺杂上转换光热LLNs用于光热治疗过程微观温度监测[17]。(b) 基于寿命的Yb3+-Nd3+共掺杂的LLNs温度计用于心血管疾病[8]。（四）LLNs温度探针的展望合成可调控的LLNs温度探针的发展加速了其作为体内潜在温度传感工具的应用，但为了使其具有更准确的读数结果，还需进一步优化。其中，减少外部干扰和校准通过组织的发光衰减是亟待解决的重要问题。同时进一步探索波长更长的光谱区域，可实现更深层次的组织传感，促进LLNs在体内疾病诊断和治疗方面的生物应用。参考文献1. C. D. S. Brites, S. Balabhadra, L. D. Carlos, Adv. Opt. Mater., 2019, 7, 1801239. 2. A. Bednarkiewicz, J. Drabik, K. Trejgis, D. Jaque, E. Ximendes, L. Marciniak, Appl. Phys. Rev., 2021, 8, 011317.3. H. Suo, X. Zhao, Z. Zhang, Y. Wang, J. Sun, M. Jin, C. Guo, Laser Photon. Rev. 2021, 15, 2000319.4. N. Kong, Q. Hu, Y. Wu and X. Zhu, Chem. Eur. J., 2022, 28, e202104237.5. M. Jia, Z. Sun, M. Zhang, H. Xu, Z. Fu, Nanoscale., 2020, 12, 20776-20785.6. J. Zhou, B. Del Rosal, D. Jaque, S. Uchiyama, D. Jin, Nat. Methods., 2020, 17, 967-980.7. A. Bednarkiewicz, L. Marciniak, L. D. Carlos, D. Jaque, Nanoscale., 2020, 12, 14405-14421.8. M. Kong, Y. Gu, Y. Chai, J. Ke, Y. Liu, X. Xu, Z. Li, W. Feng, F. Li, Sci. China Chem. 2021, 64, 974-984.9. L. Marciniak, K. Trejgis, J. Mater. Chem. C., 2018, 6, 7092-7100. 10. L. Labrador-Páez, M. Pedroni, A. Speghini, J. Garcí a-Solé , P. Haro-Gonzá lez, D. Jaque, Nanoscale., 2018, 10, 22319-22328.11. M. Tan, F. Li, N. Cao, H. Li, X. Wang, C. Zhang, D. Jaque, G. Chen, Small., 2020, 16, 2004118. 12. K. Maciejewska, A. Bednarkiewicz, L. Marciniak, Nanoscale Adv., 2021, 3, 4918-4925.13. M. Quintanilla, M. Henriksen-Lacey, C. Renero-Lecuna and L. M. Liz-Marzán, Chem. Soc. Rev., 2022.14. Z. Yi, Z. Luo, X. Qin, Q. Chen, X. Liu, Acc. Chem. Res., 2020, 53, 2692-2704.15. B. del Rosal, E. Ximendes, U. Rocha, D. Jaque, Adv. Opt. Mater., 2017, 5, 1600508.16. M. Tan, F. Li, N. Cao, H. Li, X. Wang, C. Zhang, D. Jaque, G. Chen, Small., 2020, 16, 2004118.17. X. Zhu, W. Feng, J. Chang, Y. W. Tan, J. Li, M. Chen, Y. Sun, F. Li, Nat. Commun. 2016, 7, 10437.【作者简介】胡倩 博士研究生2020年毕业于湖南师范大学，获化学专业学士学位。目前是上海科技大学物质科学与技术学院博士研究生，师从朱幸俊教授，主要从事近红外发射镧系纳米复合材料的温度传感和生物成像应用的研究。朱幸俊 研究员上海科技大学物质科学与技术学院研究员、博士生导师。2017年博士毕业于复旦大学生物研究院（导师李富友教授），2017-2019年在美国斯坦福大学材料科学与工程系作为博士后学者从事生物医学成像以及神经调控材料与器件的研发工作。目前已在Nature Communications, Chemical Society Reviews, Nano Letters, ACS Nano, PNAS, Biomaterials等国际著名期刊上发表研究论文30余篇，他引3500余次（H因子26），并持有多项专利。多项研究成果入选科睿唯安ESI化学和材料领域前1%高被引论文(Highly Cited Paper)。研究项目获国家自然科学基金、上海市浦江人才计划资助。课题组致力于发展适用于生物医学的新型纳米材料和技术，通过构建纳米复合材料，利用其光、热、磁、声等性质，实现高选择性、低侵入性的生物成像、疾病治疗和生理功能调控。欢迎感兴趣的同学报考上海科技大学研究生，课题组长期招聘化学、材料学以及生物学相关专业博士后。具体可邮件沟通咨询，zhuxj1@shanghaitech.edu.cn（本文编辑：刘立东）专家约稿招募中若您有生命科学相关研究、技术、应用、经验等愿意以约稿形式共享，欢迎自荐或引荐投稿联系人：刘编辑邮箱：liuld@instrument.com.cn微信/电话：13683372576扫码关注【3i生仪社】，解锁生命科学行业资讯！

近日，浙江大学光电学院狄大卫教授课题组先后在Nature Communications及Nature Photonics发表其课题组的最新研究文章。《Ultralow-voltage Operation of Light-emitting Diodes》一文创纪录地发现可以以LED能带宽度的36-60%超低压下观察到发光。《Ultrastable Near-infrared Perovskite Lightemitting Diodes》实现了超高稳定性、高效率（22.8%）的近红外钙钛矿发光二极管(钙钛矿LED)。 ‍研究背景LED的发展对照明、显示和信息产业有着深远的影响。新兴的LED技术的研究倍受关注。LED发光的关键机制为电致发光（EL），即在外部电压下注入的电子和空穴的辐射复合。有文献报道III-V 族半导体的 LED 的工作电压低至标称带隙的 77%，这是由于新型量子阱设计增强的辐射复合。对于OLED，其最小工作电压约0.5Eg/q，使用TTA工艺来解释这种低工作电压仍有争议，即电致发光的最低驱动电压到底是多少，以及它们是否基于同一个机理。 研究方法 在这项工作中测试了17种不同类型的LED，首先选择钙钛矿LED，制备了以近红外发光的碘基材料FPI、NFPI以及绿色发光的溴基材料PCPB的钙钛矿LED，这三种LED的最低驱动电压分别是1.3V、1.3V及1.9V，LED中光子的最高能量分别为1.55eV、1.56eV及2.4eV。这表明三种材料的LED均可在低于带隙所限制的最小阈值电压下发光。接下来选择几种不同的OLED、QLED以及商业III–V族半导体LED，得到的结论与之前的相似。 ‍ 图 1 不同种LED的电致发光强度-电压的关系。 （a. 近红外发射FAPBI3(FPI)钙钛矿LED；b.近红外发射NFPI钙钛矿LED；c.绿光PCPB钙钛矿LED；d.基于Ir(ppy)3的磷光OLED；e.基于4CzlPN的TADF OLED；f.基于F8BT的聚合物OLED；g.基于红荧烯的荧光小分子OLED；h.基于CdSe/ZnS QDs的II-VI QLED；i.基于 GaAsP 的商用 III-V 无机 LED 。） 研究还发现几种钙钛矿LED驱动电压的数值从带隙上方调整到下方时，LED的电致发光EL谱线峰形及峰位都不变。图2. 钙钛矿LED在高于及低于带隙所限制阈值电压下的EL光谱 研究方法 为解决LED最低驱动电压到底是多少的问题，他们采用一套能探测到微弱光子信号的高灵敏度光子探测系统，确定了钙钛矿LED的光致发光强度与电压之间的关系，得出EL 的最小驱动电压为低于半导体带隙 50% 的值，并表现出每个光子0.6-1.4eV的表观能量增益。 图3. 不同LED在近带隙和亚带隙电压下的光致发光强度-电压曲线 论文中提到的测试方法中，使用了海洋光学高灵敏度QE Pro光谱仪对LED的发光性能进行表征。图4. 用于测量在亚带隙电压下的 EL 光谱的实验装置示意图 研究背景 与钙钛矿太阳能电池类似，钙钛矿LED的不稳定性是一重大难题。近年来，钙钛矿LED在外量子效率（EQE）方面发展十分迅速，但其在连续工作条件下T50工作寿命（亮度降低到其初始值一半所需时间）一般在10到100小时量级，而实际应用需器件在高EQE、宽辐亮度范围下实现更长的工作寿命（高于10000小时）。和III-V族半导体及有机半导体相比，钙钛矿在器件工作过程中存在额外的降解通道。电场作用下的离子迁移和钙钛矿晶体结构的不稳定性，是影响钙钛矿器件稳定性的关键问题。解决这些问题，以同时实现长寿命与高效率，是领域的重大挑战。研究亮点 作者选取了在高性能太阳能电池与LED均有应用的FAPbI3钙钛矿作为基本研究对象，引入双极性分子SFB10，实现了高效和超稳定的近红外（~800 nm）钙钛矿LED。器件峰值外量子效率(EQE)为22.8%，峰值能量转化效率(ECE)为20.7%。这些钙钛矿LED展现了优异的稳定性，在5 mA/cm2下连续运行超过3600h（5个月）没有观察到辐亮度衰减。据加速老化测试获得，在初始辐亮度（或电流密度）分别为0.21 W/sr/m2 (0.7 mA/cm2)时，预期T50工作寿命为2.4×106h (约270年)。 图5. 钙钛矿LED器件结构和性能 上述数据表明，钙钛矿LED可在满足实际应用的光功率(辐亮度)下稳定工作。作为参考，基于Ir(ppy)3的高效率绿光OLED器件，在1000 cd/m2的高亮度下时对应的辐亮度为2.1 W/sr/m2, 在100 cd/m2的较低亮度下对应的辐亮度为0.21 W/sr/m2。表1：经SFB10稳定的钙钛矿LED寿命数据 为了探索器件高稳定性的原因，作者研究了双极性分子SFB10对钙钛矿薄膜稳定性的影响。结果表明，双极性分子SFB10提高了钙钛矿薄膜的热稳定性、相稳定性与荧光稳定性。经SFB10稳定剂处理的钙钛矿样品在空气中放置322 天，仍然维持了具有良好光电活性的α相FAPbI3钙钛矿，而对照组样品在14天内就发生了相变与降解。图6：钙钛矿样品结构稳定性和荧光稳定性 图7：SFB10与钙钛矿前驱体化学相互作用表 论文提到的测试方法中，使用海洋光学QE Pro光谱仪进行EQE的J-V曲线测量，使用Maya2000Pro记录角电致发光强度分布。QE Pro Maya2000 Pro 光谱仪 参考文献 1. Lian Y , Lan D , Xing S , et al. Ultralow-voltage operation of light-emitting diodes[J]. 2021.2. Guo, B., Lai, R., Jiang, S. et al. Ultrastable near-infrared perovskite light-emitting diodes. Nat. Photon. (2022). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01046-33. https://mp.weixin.qq.com/s/s_vFNym4bESl3wogh96n7Q 结语 超低驱动电压的研究为超低压LED器件的发展以及照明、显示及通信行业的发展做出贡献。超长的器件寿命有望提振钙钛矿LED领域的信心，这些近红外LED可用于近红外显示、通讯与生物等应用，为钙钛矿发光技术进入产业应用铺平了道路。