主题：纳米材料诱发的化学发光（二）

望得到大家的指导

纳米金粒子浓度的增大而线性增加，并且当纳米金粒子表面柠檬酸根离子被SCN—离子取代时，体系化学发光的强度显著增加；实验采用紫外可见吸收光谱、透射电镜(TEM)和X-射线光电子能谱（XPS）技术研究了CL反应前后纳米金的形貌、粒径和氧化态，在此基础上提出体系化学发光的机理可能是纳米金作为化学发光反应的微尺度反应平台，与反应过程中生成的CO3•一和O2•一自由基相互作用，在纳米金表面生成了Au(Ⅰ)络合物、二氧化碳双分子对、单线态氧分子对的激发态而产生化学发光(图4-2(a,b))。

图 4-2a 二氧化碳双分子以及单线态氧分子对参与的化学发光机理
Figure 4-2a Mechanism of the chemiluminescence involving carbon dioxide dimer and singlet oxygen molecular pair



图 4-2b 与纳米金表面原子氧化相关的化学发光机理
Figure 4-2b Mechanism of the chemiluminescence involving the oxidation of surface gold atoms.
4.2.1.2 纳米金催化液相化学发光
随后，Zhang[63]等发现不同粒径的纳米金于鲁米诺—H2O2液相化学发光体系具有不同程度的增强作用，其中粒径为38 nm的纳米金对于体系的化学发光具有最大的增强作用；提出了纳米金对该体系化学发光的增强作用可能的机理是由于纳米金对于反应过程中自由基的生成以及后续电子转移反应具有良好的催化作用；发现含有-OH、-NH2和-SH的有机化合物对于鲁米诺—H2O2—38 nm纳米金化学发光体系具有明显的抑制作用，在此基础上，进一步研究了鲁米诺—H2O2—38 nm纳米金化学发光体系测定含有-OH、-NH2和-SH的有机化合物分析应用潜力，取得了很好的结果。
4.2.1.3 纳米金作为能量接受体诱导液相化学发光
    Cui[64]等报到了粒径为2.6～6.0nm 的纳米金可以接受双(2,4,6-三氯苯基)草酸酯(TCPO)与过氧化氢(H2O2)的反应释放的能量产生间接化学发光，其最大发射波长位于～415nm；发现化学发光的强度与纳米金粒子的浓度（在9.1×10-10—3.3×10-8 mol/L）之间存在良好的线性递增关系；提出该化学发光可能的机理: TCPO被H202氧化生成高能量的中间体过氧环乙烷双酮(1,2-dioxetanedione)，该中间体将能量传递给体系中共存的纳米金粒子而使纳米金被激发，激发态纳米金粒子在弛豫回到基态的过程中产生化学发光(图4-3)。

图 4-3 纳米金—TCPO—H2O2-体系的化学发光机理
Figure 4-3. CL Mechanism for TCPO-H2O2-Gold Colloid System
4.2.1.4 纳米金作为高效还原剂参与液相化学发光
Zhang[65]等采用流动注射化学发光法(FIA-CL)研究了纳米金微粒对酸性KMnO4化学发光体系的影响，发现在2.0 mol/L H2SO4介质中纳米金可以与KMnO4发生氧化还原反应；对于粒径为2.6和6.0 nm的纳米金，它们与酸性KmnO4的反应速度快，可以在640 nm左右产生化学发光，并且化学发光的强度与纳米金粒子浓度(在4.6×10-6～2.94×10-4 mol/L浓度范围内)之间存在良好的线性递增关系；对于粒径大于6.0 nm的纳米金，由于与KMnO4的反应速度较慢，反应过程中并不伴随化学发光现象；提出化学发光反应的机理可能是酸性条件下KmnO4被纳米金还原生成激发态Mn(Ⅱ)*而产生化学发光。
4.2.2 纳米半导体(NCs)参与的液相化学发光
Talapin[66]等首次在碱性H2O2水溶液中，观察到CdSe/CdS 核-壳结构纳米半导体晶体膜的化学发光现象，并认为该化学发光性质与量子约束轨道相关。随后， Wang[67]等发现碱性H2O2和碱性高锰酸钾，可以直接氧化CdTe NCs 产生强的化学发光，化学发光强度与粒度相关，随着粒度的增大而增强。采用流动注射化学发光法(FIA-CL)， 在 3.33-nm  CdTe NCs浓度为：1×10-3 mol/L，0.1 mol/L NaOH 条件下，考察了发光系统对不同浓度H2O2的响应，CL强度对H2O2 在1×10-4～1 ×10-2 mol/L浓度范围内呈线性增强；同时也考察了表面活性剂对发光体系的影响。通过光致发光光谱法， CL光谱法和透射电镜法探究了可能的氧化化学发光机理(式4.12—4.16)。
RSH + O2 + OH- → O2- + RS + H2O            (4.12)
O2- + CdTe → CdTe(e-1Se) + O2                (4.13)
O2- + H2O2 → OH• + 1O2                      (4.14)
OH• + CdTe → OH- + CdTe(h+1Sh)              (4.15)
CdTe(h+1Sh) + CdTe(e-1Se) → (CdTe NCs)* → hv    (4.16)

5 结论与展望
目前，半导体纳米粒子和金属纳米粒子的电致化学发光和化学发光行为己经引起了人们的关注。从Bard[24,50-54]、崔华[26,59,62-64]、张新荣[25,68-71]等研究组报道的工作表明，纳米粒子诱导化学发光反应的研究刚刚起步。从他们报道的研究工作可以看出，纳米粒子可以作为能量接受体、微尺度反应平台、还原剂、催化剂等参与化学发光反应。
能量接受体：纳米粒子在量子效应的作用下可能使纳米粒子具有块体材料所没有的特殊能级结构而产生良好的荧光特性。这些具有荧光特性的纳米粒子可以被化学反应释放的能量所激发从而产生化学发光。
发光体：通过电化学法和化学法可以向纳米粒子注入电子(electron)和空穴(hole)，电子和空穴再结合(recombination)之后便形成激发子(exciton)，形成的激发子能产生特定波长的光。
微尺度反应平台：纳米粒子虽然可以均匀分散在液相，但是纳米粒子与液相本体之间仍然存在固/液界面，从而导致在纳米粒子表面进行的化学反应处于一个固/液界面微尺度反应平台，从而改变了化学发光反应的物理化学过程。
还原剂：对纳米粒子液相电化学行为的研究已经表明，在量子尺寸效应的诱导下产生了一定能级分裂的纳米粒子簇，可能作为一个整体接受电子或空穴的注入[72]。另外，组成纳米粒子的活性基本单元(如配位不足的表面原子)也可能独立参与氧化还原反应。故这些具有较高的氧化还原活性的纳米粒子可以作为化学反应的氧化剂或还原剂诱导化学发光。
催化剂：纳米粒子可以作为催化剂充当氧化还原过程中电子转移的中介。液相化学发光反应涉及一系列活泼的中间产物如自由基和激发态产物，纳米粒子高的表面活性可能会与参加化学发光反应的初始物质、中间体和激发态物质发生相互作用，从而改变了化学发光反应历程以及化学发光反应的速率。
总之，纳米材料作为一种新型化学发光响应单元对提高化学发光反应的效率以及开发新的化学发光反应体系具有重要意义。而且，已报道的一系列基于纳米材料的新的化学发光体系在生命科学、环境科学和分析化学等领域可能具有广阔的应用前景。