電化學發(fā)光

電化學發(fā)光是化學發(fā)光方法與電化學方法相互結合的產(chǎn)物，是指通過電化學方法來產(chǎn)生一些特殊的物質(zhì)，然后這些電生的物質(zhì)之間或電生物質(zhì)與其它物質(zhì)之間進一步反應而產(chǎn)生的一種發(fā)光現(xiàn)象。

電化學發(fā)光保留了化學發(fā)光方法所具有的靈敏度高、線性范圍寬、觀察方便和儀器簡單等優(yōu)點；同物時具有許多化學發(fā)光方法無法比擬的優(yōu)點，如重現(xiàn)性好、試劑穩(wěn)定、控制容易和一些試劑可以重復使用等優(yōu)點，廣泛地應用于生物、醫(yī)學、藥學、臨床、環(huán)境、食品、免疫和核酸雜交分析和工業(yè)分析等領域。在21世紀中必將繼續(xù)為解決人類面臨的各種重大問題發(fā)揮更加顯著的作用。因此有必要對電化學發(fā)光在分析中的應用有更加全面的了解。

電化學發(fā)光的應用

1、電極表面活性分布的表征

利用電化學發(fā)光成像法可以很好地觀察電極表面電化學發(fā)光強度的分布情況，而電化學發(fā)光強度對電極表面的活性具有很大的依賴性，因此利用電化學發(fā)光成像法可以直觀地反映電極表面活性分布。

該方法是由Engstrom等于1987年提出的，他們觀察到在新拋光的玻碳電極上電化學發(fā)光強度分布十分均勻，而在環(huán)氧樹脂浸漬過的網(wǎng)狀玻碳電極上，電化學發(fā)光強度的分布不均勻，通過與其它方法相對照，發(fā)現(xiàn)電化學發(fā)光強度分布能夠很好地反映出電極表面活性分布，并且具有微米級的空間分辨能力。在此基礎上，他們把電化學發(fā)光成像法用于研究碳糊電極表面活性點的分布，觀察到碳糊電極表面存在。著活性區(qū)域和非活性區(qū)域，對于了解碳糊電極的電化學行為具有一定的意義。

由于電化學發(fā)光成像法具有直觀和簡單等優(yōu)點，許多科學工作者先后將該方法用于表征化學修飾電極表面的活性分布。如Hopper等用該方法研究了電極表面的電荷對電子轉移性質(zhì)的影響；Pantano等用該方法研究了電極表面羧基的分布對電子轉移性質(zhì)的影響；ShuItz等用該方法研究了聚合物在電極上的附著情況。從上面的文獻可以看出，電化學發(fā)光成像法對于了解電極表面的活性分布及其與電極性能之間的關系，進而制備出具有特定功能的電極具有較好的參考價值。

2、電極表面粗糙度的表征

1998年Bard研究組研究了工作電極與對電極之間的距離對電化學發(fā)光強度的影響，發(fā)現(xiàn)電化學發(fā)光強度與電極之間的距離在一定范圍內(nèi)呈線性關系。基于該實驗結果，他們提出了利用電化學發(fā)光方法來表征電極表面粗糙度的新方法。該方法是通過精密的儀器控制超微電極在所研究的電極上掃描，并記錄電化學發(fā)光強度與電極所處位置的關系，根據(jù)電化學發(fā)光強度變化的情況間接地反映出電極表面的粗糙度。可能是由于該方法還很不成熟，還存在著許多尚待克服的困難，如由于激發(fā)態(tài)的電化學發(fā)光試劑在溶液中擴散所造成的空間分辨能力相對較差等問題，目前還未見其它的文獻報道。

3、流體動力學研究

由于電化學發(fā)光試劑是在電極上產(chǎn)生的，因此通過電化學發(fā)光成像法對電化學發(fā)光過程進行跟蹤，了解電化學發(fā)光強度分布隨時間變化的情況，就可以在一定程度上推斷出在電極上產(chǎn)生的試劑的走向，為考察微區(qū)中溶液的流動情況提供一種簡單的新方法。

例如采用電化學發(fā)光方法可以觀察兩個靠得很近的電極施加電位時兩電極間溶液的流動情況。實驗中發(fā)現(xiàn)薄層池中電極上的電化學發(fā)光強度并不象在溶液體積較大的常規(guī)電化學發(fā)光池中所觀察到的那樣均勻地分布，而是按明暗相間的順序有規(guī)則地排列。據(jù)此他們認為這是由于兩電極靠的很近，限制了溶液的流動，當施加一定的電位時，在電場的作用下溶液被迫發(fā)生流動，而兩電極之間流動的空間又很小，當溶液沿著平行于電極方向流動時要受到很大的阻力，因此溶液很難沿下圖中A的方式分成一個個微區(qū)循環(huán)流動。

當在兩電極上施加足夠的電位時，化，產(chǎn)生帶正電荷的自由基R+，該自由基和四丁基胺陽離子在電場的作用下向電位較負的電極移動，當碰到電位較負的電極時，帶正電荷的自由基R+被還原，產(chǎn)生電化學發(fā)光。同樣地，當紅熒烯在電位較負的電極上被還原，產(chǎn)生帶負電荷的自由基R，該自由基和六氟磷酸根陰離子在電場的作用下向電產(chǎn)生電化學發(fā)光。位較正的電極移動，當碰到電位較正的電極時，帶負電荷的自由基R-被氧化，

4、固態(tài)電子傳輸研究

當一個電極上產(chǎn)生的紅瑩烯離子流到另一個電極上時產(chǎn)生電化學發(fā)光在固態(tài)電子傳輸研究中，通過電化學發(fā)光成像法可以直觀地了解電子的傳輸過程。可采用電化學發(fā)光來研究固體電解質(zhì)中的導電行為，他們根據(jù)不同電位下電化學發(fā)光情況的不同認為電。當電壓大于2.6V時，電流較大，同時在兩個電極之間還有一個電化學發(fā)光區(qū)，是通過二價的吡啶釕與三價的吡啶釕之間的電子跳躍、二價的吡啶釕與一價的吡啶釕之間的電子跳躍和一價的吡啶釕與三價的吡啶釕之間的電子轉移反應導電的。

5、反應動力學研究

將電化學發(fā)光用于研究電化學發(fā)光反應動力學是由Nieman研究組提出的。一種方法是通過對電化學發(fā)光強度與時間之間的暫態(tài)關系曲線進行擬合，計算出反應的速率常數(shù)。第二種方法是通過觀察電化學發(fā)光強度與時間之間的暫態(tài)關系曲線的形狀來初步估計反應的快慢。一般情況下，達到Z大電化學發(fā)光強度的時間越短，電化學發(fā)光強度與時間之間的暫態(tài)關系曲線越尖銳，電化學發(fā)光反應的速率就越大。

第三種方法是通過電化學發(fā)光成像法與流動注射相結合的辦法來初步反映電化學發(fā)光反應的快慢。通常在流速一定的條件下，電化學發(fā)光的區(qū)域越小，電化學發(fā)光反應就越快。比如，吡啶釕與草酸反應產(chǎn)生的電化學發(fā)光圖象，圖像有一個較小的尾巴。而吡啶釕與三丙胺反應產(chǎn)生的電化學發(fā)光圖像如圖3B所示，圖像有一個較長的尾巴。據(jù)此，可以推斷前者反應較慢，而后者反應相對較快。

6、觀察酶活性的變化

大部分酶一般不直接參與電化學發(fā)光，它們的活性主要是通過酶的底物或產(chǎn)物的量的多少來判斷。另外由于NADH是Liang等人利用乳胺酶水解吡啶釕標記的盤尼西林來測定乳胺酶的活性許多酶反應的輔酶而且能夠與吡啶釕發(fā)生電化學發(fā)光，可以用于相關酶如葡萄糖脫氫酶、乙醇脫氫酶和蘋果酸脫氫酶等酶的活性的測定。對于參與生物發(fā)光的酶在一定條件下可以通過電極電位的調(diào)節(jié)來考察其活性變化情況。

例如，酶的反應往往很容易受到溶液酸度的影響，因此通過電化學方法可以改變電極表面的酸度來改變酶的催化性能，進而改變電化學發(fā)光的強度。反過來，從電化學發(fā)光強度的變化可以反映酶的活性情況。如熒光素酶在中性溶液中主要以EH的形式存在，該形式的熒光素酶可以催化生物發(fā)光；在酸性條件下獲得一個氫離子以EH2的形式存在，在堿性條件下失去一個氫離子以E的形式存在，后面這兩種形式均無法催化生物發(fā)光。由于電極表面的酸度可以通過改變電位來改變，因此通過改變電位就可以改變修飾在電極表面上酶的活性，來影響生物發(fā)光。然后通過發(fā)光強度隨電位循環(huán)掃描的變化情況從一個特殊的側面觀察酶的活性與酸度的變化關系。

7、分析化學上的應用

近些年來，一方面許多新的電化學發(fā)光體系相繼被發(fā)現(xiàn)；另一方面流動注射分析、高效液相色譜和毛細管電泳在電化學發(fā)光分析中得到廣泛應用，使得電化學發(fā)光在分析中日益受到關注，如芳香烴的電；魯米諾的電化學發(fā)光用于過氧化氫、酶和各種離子的測定；吡啶化學發(fā)光用于芳香烴的測定釕的電化學發(fā)光用于無機離子、有機酸、有機胺、免疫分析72和酶分析DNA分析。其中，吡啶釕的電化學發(fā)光以其電化學發(fā)光試劑穩(wěn)定、線性范圍寬、靈敏度高和抗干擾能力強等等突出的優(yōu)點而在免疫分析和DNA分析倍受重視。

電化學發(fā)光應用前景展望

從上面的應用中可以看出，電化學發(fā)光由于結合化學發(fā)光方法和電化學方法的優(yōu)點，一方面可以從光學和電化學兩個側面對一些體系進行更全面的研究，這樣可以更加有利于揭示許多單獨用一種方法難以深入了解的問題。另外一方面，電化學發(fā)光分析方法的靈敏度常常只取決于電極表面附近分析物的濃度，極大地方便了分離與富集，使電化學發(fā)光分析方法迅速發(fā)展成為未來免疫分析和DNA分析Z具競爭力的方法之一。因此我們完全有理由相信：電化學發(fā)光方法將成為一個獨具魅力的研究方向。今后電化學發(fā)光研究的熱點主要有下面幾個方向：

（1）電化學發(fā)光生物芯片的研究與開發(fā)。主要要解決以下幾個問題。diyi個問題是DNA在電極上的固定。第二個問題是高效的電化學發(fā)光探針的制備。第三個問題是電化學發(fā)光儀器的微型化，智能化和遙控化。

（2）繼續(xù)完善現(xiàn)有的電化學發(fā)光免疫分析方法，使該方法成為一種常規(guī)的分析方法。

（3）電化學發(fā)光方法與其它分離技術的聯(lián)用與開發(fā)。使電化學發(fā)光方法成為一種廣譜的分析方法。特別是將吡啶釕電化學發(fā)光用于氨基酸等胺類物質(zhì)的測定。

（4）具有特異性的電化學發(fā)光傳感器的研究。如尋找專一性的電化學發(fā)光體系或?qū)﹄姌O進行化學修飾。

（5）電化學發(fā)光器件的研究。主要是提高電化學發(fā)光效率、降低激發(fā)電位和提高制作電化學發(fā)光器件的工藝水平。電化學發(fā)光機理的研究。為提高電化學發(fā)光效率提供理論基礎。