Электрохемилюминесценция

Излучение света в результате электрохимических реакций

Электрохемилюминесценция или электрогенерированная хемилюминесценция ( ECL ) — это вид люминесценции , возникающей в ходе электрохимических реакций в растворах. При электрогенерированной хемилюминесценции электрохимически генерируемые промежуточные продукты подвергаются высокоэкзергонической реакции для создания электронно-возбужденного состояния, которое затем излучает свет при релаксации в состояние более низкого уровня. Эта длина волны излучаемого фотона света соответствует энергетическому зазору между этими двумя состояниями. ^[1]^[2] Возбуждение ECL может быть вызвано реакциями переноса энергичных электронов (окислительно-восстановительными) электрогенерированных видов. Такое возбуждение люминесценции является формой хемилюминесценции , где один/все реагенты производятся электрохимически на электродах. ^[3]

ECL обычно наблюдается при приложении потенциала (несколько вольт) к электродам электрохимической ячейки, содержащей раствор люминесцентных видов ( полициклические ароматические углеводороды , комплексы металлов, квантовые точки или наночастицы ^[4] ) в апротонном органическом растворителе (состав ECL). В органических растворителях как окисленные, так и восстановленные формы люминесцентных видов могут быть получены на разных электродах одновременно или на одном электроде путем изменения его потенциала между окислением и восстановлением. Энергия возбуждения получается из рекомбинации окисленных и восстановленных видов.

В водной среде, которая в основном используется для аналитических приложений, одновременное окисление и восстановление люминесцентных видов труднодостижимо из-за электрохимического расщепления самой воды, поэтому используется реакция ECL с сореагентами. В последнем случае люминесцентные виды окисляются на электроде вместе с сореагентом, что дает сильный восстановитель после некоторых химических превращений (механизм окислительного восстановления).

Приложения

ECL оказался очень полезным в аналитических приложениях как высокочувствительный и селективный метод. ^[7] Он сочетает в себе аналитические преимущества хемилюминесцентного анализа (отсутствие фонового оптического сигнала) с простотой управления реакцией путем приложения электродного потенциала. Как аналитический метод он представляет выдающиеся преимущества по сравнению с другими распространенными аналитическими методами благодаря своей универсальности, упрощенной оптической настройке по сравнению с фотолюминесценцией (PL) и хорошему временному и пространственному контролю по сравнению с хемилюминесценцией (CL). Повышенная селективность ECL-анализа достигается путем изменения электродного потенциала, таким образом контролируя виды, которые окисляются/восстанавливаются на электроде и принимают участие в ECL-реакции ^[8] (см. электрохимический анализ).

Обычно он использует комплексы рутения, особенно [Ru(bpy) ₃ ] ²⁺ (bpy = 2,2'-бипиридин), который испускает фотон при ~620 нм, регенерируя с TPrA ( трипропиламином ) в жидкой фазе или на границе раздела жидкость-твердое тело. Его можно использовать в качестве монослоя, иммобилизованного на поверхности электрода (например, из нафиона или специальных тонких пленок, изготовленных по методике Ленгмюра-Блогетта или методике самосборки), или в качестве кореагента или чаще в качестве метки и использовать в ВЭЖХ _, иммуноанализах на основе антител с метками Ru , ДНК-зондах с метками Ru для ПЦР и т. д., биосенсорах на основе _{генерации} NADH или H2O2 , обнаружении оксалатов и органических аминов и во многих других приложениях, и его можно обнаружить от пикомолярной чувствительности до динамического диапазона более шести порядков величины. Детектирование фотонов осуществляется с помощью фотоумножительных трубок (ФЭУ) или кремниевых фотодиодов или покрытых золотом волоконно-оптических датчиков. Важность обнаружения методов ECL для биологических приложений хорошо известна. ^[9] ECL широко используется в коммерческих целях для многих клинических лабораторных приложений. ^[10]^[11]^[12]

Смотрите также

Ссылки

^ Forster RJ, Bertoncello P, Keyes TE (2009). «Электрогенерированная хемилюминесценция». Annual Review of Analytical Chemistry . 2 : 359–85 . Bibcode :2009ARAC....2..359F. doi :10.1146/annurev-anchem-060908-155305. PMID 20636067.
^ Valenti G, Fiorani A, Li H, Sojic N, Paolucci F (2016). «Важная роль электродных материалов в электрохемилюминесцентных приложениях». ChemElectroChem . 3 (12): 1990– 1997. doi :10.1002/celc.201600602. hdl : 11585/591485 .
^ Электрогенерированная хемилюминесценция, под редакцией Аллена Дж. Барда, Marcel Dekker, Inc., 2004
^ Valenti G, Rampazzo R, Bonacchi S, Petrizza L, Marcaccio M, Montalti M, Prodi L, Paolucci F (2016). «Переменное легирование индуцирует замену механизма в электрогенерированной хемилюминесценции наночастиц кремния с ядром и оболочкой Ru(bpy)32+». J. Am. Chem. Soc . 138 (49): 15935– 15942. Bibcode : 2016JAChS.13815935V. doi : 10.1021/jacs.6b08239. hdl : 11585/583548 . PMID 27960352.
^ Miao W, Choi J, Bard A (2002). "Электрогенерированная хемилюминесценция 69: пересмотр системы трис(2,2′-бипиридин)рутений(II), (Ru(bpy)32+)/три-н-пропиламин (TPrA) — новый маршрут с участием катионных радикалов TPrA•+". J. Am. Chem. Soc . 124 (48): 14478– 14485. doi :10.1021/ja027532v. PMID 12452725.
^ Valenti G, Zangheri M, Sansaloni S, Mirasoli M, Penicaud A, Roda A, Paolucci F (2015). «Прозрачная сеть углеродных нанотрубок для эффективных электрохемилюминесцентных устройств». Химия: Европейский журнал . 21 (36): 12640– 12645. doi :10.1002/chem.201501342. PMID 26150130.
^ Zanut, A.; Fiorani, A.; Canola, S.; Saito, T.; Ziebart, N.; Rapino, S.; Rebeccani, S.; Barbon, A.; Irie, T.; Josel, H.; Negri, F.; Marcaccio, M.; Windfuhr, M.; Imai, K.; Valenti, G.; Paolucci, F. (2020). "Insights into the mechanism of coreactant electrochemiluminescence facilitating enhancement bioanalytical performance". Nat . Commun . 11 (1): 2668. Bibcode : 2020NatCo..11.2668Z. doi : 10.1038/s41467-020-16476-2 . PMC 7260178. PMID 32472057.
^ Fähnrich, KA; Pravda, M.; Guilbault, GG (май 2001). "Недавние применения электрогенерированной хемилюминесценции в химическом анализе" (PDF) . Talanta . 54 (4): 531– 559. doi :10.1016/S0039-9140(01)00312-5. PMID 18968276.^{[ постоянная мертвая ссылка ‍ ]}
^ Мяо, Вуцзянь (2008). «Электрогенерированная хемилюминесценция и ее биологические применения». Chemical Reviews . 108 (7): 2506–2553 . doi :10.1021/cr068083a. PMID 18505298.
^ Ли, Вон-Йонг (1997). «Трис (2,2′-бипиридил)рутений (II) электрогенерируемая хемилюминесценция в аналитической науке». Microchimica Acta . 127 ( 1– 2): 19– 39. doi :10.1007/BF01243160.
^ Вэй, Хуэй; Ван, Эрканг (2008-05-01). "Твердотельная электрохемилюминесценция трис(2,2′-бипиридил) рутения". TrAC Trends in Analytical Chemistry . 27 (5): 447– 459. doi :10.1016/j.trac.2008.02.009.
^ Вэй, Хуэй; Ван, Эрканг (2011-03-01). «Электрохемилюминесценция трис(2,2′-бипиридил)рутения и ее применение в биоанализе: обзор». Люминесценция . 26 (2): 77– 85. doi :10.1002/bio.1279. ISSN 1522-7243. PMID 21400654.

[Forster-1] Forster RJ, Bertoncello P, Keyes TE (2009). «Электрогенерированная хемилюминесценция». Annual Review of Analytical Chemistry . 2 : 359–85 . Bibcode :2009ARAC....2..359F. doi :10.1146/annurev-anchem-060908-155305. PMID 20636067.

[Valenti-2] Valenti G, Fiorani A, Li H, Sojic N, Paolucci F (2016). «Важная роль электродных материалов в электрохемилюминесцентных приложениях». ChemElectroChem . 3 (12): 1990– 1997. doi :10.1002/celc.201600602. hdl : 11585/591485 .

[3] Электрогенерированная хемилюминесценция, под редакцией Аллена Дж. Барда, Marcel Dekker, Inc., 2004

[Nanoparticles-4] Valenti G, Rampazzo R, Bonacchi S, Petrizza L, Marcaccio M, Montalti M, Prodi L, Paolucci F (2016). «Переменное легирование индуцирует замену механизма в электрогенерированной хемилюминесценции наночастиц кремния с ядром и оболочкой Ru(bpy)32+». J. Am. Chem. Soc . 138 (49): 15935– 15942. Bibcode : 2016JAChS.13815935V. doi : 10.1021/jacs.6b08239. hdl : 11585/583548 . PMID 27960352.

[TPAMechanism-5] Miao W, Choi J, Bard A (2002). "Электрогенерированная хемилюминесценция 69: пересмотр системы трис(2,2′-бипиридин)рутений(II), (Ru(bpy)32+)/три-н-пропиламин (TPrA) — новый маршрут с участием катионных радикалов TPrA•+". J. Am. Chem. Soc . 124 (48): 14478– 14485. doi :10.1021/ja027532v. PMID 12452725.

[Electrode-6] Valenti G, Zangheri M, Sansaloni S, Mirasoli M, Penicaud A, Roda A, Paolucci F (2015). «Прозрачная сеть углеродных нанотрубок для эффективных электрохемилюминесцентных устройств». Химия: Европейский журнал . 21 (36): 12640– 12645. doi :10.1002/chem.201501342. PMID 26150130.

[7] Zanut, A.; Fiorani, A.; Canola, S.; Saito, T.; Ziebart, N.; Rapino, S.; Rebeccani, S.; Barbon, A.; Irie, T.; Josel, H.; Negri, F.; Marcaccio, M.; Windfuhr, M.; Imai, K.; Valenti, G.; Paolucci, F. (2020). "Insights into the mechanism of coreactant electrochemiluminescence facilitating enhancement bioanalytical performance". Nat . Commun . 11 (1): 2668. Bibcode : 2020NatCo..11.2668Z. doi : 10.1038/s41467-020-16476-2 . PMC 7260178. PMID 32472057.

[8] Fähnrich, KA; Pravda, M.; Guilbault, GG (май 2001). "Недавние применения электрогенерированной хемилюминесценции в химическом анализе" (PDF) . Talanta . 54 (4): 531– 559. doi :10.1016/S0039-9140(01)00312-5. PMID 18968276.^{[ постоянная мертвая ссылка ‍ ]}

[9] Мяо, Вуцзянь (2008). «Электрогенерированная хемилюминесценция и ее биологические применения». Chemical Reviews . 108 (7): 2506–2553 . doi :10.1021/cr068083a. PMID 18505298.

[10] Ли, Вон-Йонг (1997). «Трис (2,2′-бипиридил)рутений (II) электрогенерируемая хемилюминесценция в аналитической науке». Microchimica Acta . 127 ( 1– 2): 19– 39. doi :10.1007/BF01243160.

[11] Вэй, Хуэй; Ван, Эрканг (2008-05-01). "Твердотельная электрохемилюминесценция трис(2,2′-бипиридил) рутения". TrAC Trends in Analytical Chemistry . 27 (5): 447– 459. doi :10.1016/j.trac.2008.02.009.

[12] Вэй, Хуэй; Ван, Эрканг (2011-03-01). «Электрохемилюминесценция трис(2,2′-бипиридил)рутения и ее применение в биоанализе: обзор». Люминесценция . 26 (2): 77– 85. doi :10.1002/bio.1279. ISSN 1522-7243. PMID 21400654.