背景介紹
化學發光和電化學的合理結合使電化學發光（Electrochemiluminescence，ECL）技術具有許多優點，例如不需要額外的光源，對輻射的空間控制和良好的信噪比，因此在生物分析領域引起了廣泛的關注。儘管如此，發光體可以說是ECL技術中最重要的部分。迄今為止，化學試劑包括無機金屬（Ru、Pt、Ir、Os）配合物、有機分子（9,10-二苯基蒽、魯米諾、卟啉、硅等）、基於納米材料（半導體量子點、金屬納米團簇、碳量子點、鈣鈦礦量子點等）的發光團都已經被用作為ECL的發光體。在這些發光團中，由於有機分子不含金屬元素和其化學結構及物理性質精確可調，故被認為是ECL最有前途的候選分子。
卟啉是自然界中最重要的色素，由於其獨特的光物理和電子性質，引起了人們對其在ECL領域應用的廣泛關注。1972年巴德等人首次對卟啉的ECL進行了研究。此後，ECL關於卟啉的研究多集中於有機體系中以鉑、鈀和釕為基礎的金屬卟啉，但這些文獻報道的ECL機制是不明確的。在作者最近的一項工作中，通過結合自由基捕獲實驗和理論計算，研究了不同卟啉類化合物的ECL機制以及周圍取代基和中心金屬對其ECL行為的影響（Anal.Chem. 2019,91, 2319-2328）。然而，將這些卟啉應用於ECL水相分析，特別是用於重要的生物靶標分析應用還是受限。且由於卟啉在水溶液中得分子間π-π疊加容易使得卟啉聚合，導致光發射猝滅，影響卟啉的實際光學性能。因此，調節卟啉的溶解度和限制其聚集起著至關重要的作用，特別是針對水不溶性卟啉在水相中的高效ECL行為的研究。
β-環糊精（β-CD），宏觀上由七個葡萄糖單位組成，是從玉米澱粉中提取的無毒性物質。β-CD空心圓錐結構與親脂性的空腔和一個親水錶面。它是一種多用途的宿主，能與各種親脂客體分子形成包合物。通過將5,10,15,20-四（4-羥苯基）卟啉（THPP）接枝到β-CD親水外表面上，不僅可以提高THPP的溶解度，也阻止其在水相聚合。同時，β-CD的疏水腔可以為THPP提供非極性微環境。基於此，西北師範大學盧小泉教授課題組利用β-CD誘導解聚的效果，設計了一系列四取代的卟啉（（TCPP, TNPP, TAPP, TPYP,TFPP），和β-CD自組裝產生解聚誘導ECL現象（DIECL），ECL效率高達21.8%。這一研究成果近期發表在Analytical Chemistry上。
圖1.解聚誘導水不溶性卟啉的水相電化學發光及其用於F-傳感示意圖
本文亮點
（1）作者通過將THPP和@β-CD簡單混合，獲得THPP@β-CD自組裝體。與THPP的聚集物相比，THPP@β-CD具有更正的還原電位，進一步表明β-CD的存在往往會抑制THPP由於π-π堆積相互作用的聚合從而有效的解聚THPP分子。這樣的解聚效應可能更有利於實現THPP@β-CD自組裝體中THPP分子在水相中展現自身屬性，且使更多的發光體在水溶液中成為單個分子，大大增加發光分子的數量（如圖1）。由此，作者將這一現象解釋為解聚誘導電化學發光（DIECL）。
（2）研究發現，不同取代基顯著影響卟啉@β-CD的DIECL強度（如圖2），影響程度順序是：THPP@β-CD ≈ TNPP@β-CD > TPYP@β-CD > TAPP@β-CD > TFPP@β-CD >TCPP@β-CD。造成這種差異的原因可能是不同取代基的電負性不同，導致它們與β-CD上羥基形成氫鍵能力不同。TNPP，TCPP，TFPP 和 THPP中的吸電子基團（-NO2， -COOH，-F 和-OH）相比TPYP 和TAPP中的（吡啶基和-NH2）給電子基團電負性更強，導致卟啉和β-CD分子之間的相互作用更易發生，因而相應的ECL強度更高。需要注意的是，不同取代基取代的卟啉化合物的DIECL強度與取代基電負性的順序並不完全一致，作者解釋為可能是由於它們固有的光物理和電化學性能不同導致的。
圖2.（A）不同取代卟啉衍生物的化學結構。（R=-OH （THPP），-NO2（TNPP）, -COOH （TCPP），-pyridyl （TPYP）， -F （TFPP），-NH2 （TAPP））（B）不同卟啉衍生物的DIECL強度值。
（3）值得一提的是，不同取代基取代的卟啉化合物的相對ECL效率都高於10%，其中THPP@β-CD顯示最高值21.8 %，優於其它有機化合物的ECL效率。
（4）檢測氟離子（F-）的特殊機理：F-的電負性最高，導致THPP@β-CD的羥基和氟離子之間形成強烈的氫鍵，這種相互作用可能會阻礙SO4•-與THPP@β-CD•-相互作用，因此減弱THPP@β-CD的ECL信號。其它的鹵素離子對ECL強度並無影響。
總結：
高親脂溶性的卟啉及其衍生物的ECL在有機體系中受到廣泛關注，然而，親脂性卟啉在水相中的高效ECL仍是一個非常具有挑戰性的課題。作者創新性的通過構建自組裝的卟啉和β-CD之間氫鍵相互作用限制水溶液中卟啉分子的聚合，減少可能的聚合引起的猝滅，從而提高卟啉在水相中的ECL效率。此外，由於THPP@β-CD和高電負性基質之間羥基強烈的的氫鍵作用，在氟離子存在情況下強烈猝滅ECL，這為在水溶液中的F-識別提供了一種獨特的策略。這項工作提出了親脂性卟啉ECL在水溶液中的應用，
克服了水不溶性和聚集導致ECL效率低的重要挑戰，為探索新的高性能ECL發光體提供了新的途徑。（文：菜菜的黃）文獻DOI:10.1021/acs.analchem.0c00208
Wu Y,Han Z, Wei L, et al. Depolymerization-Induced Electrochemiluminescence of Insoluble Porphyrin in Aqueous Phase[J]. Analytical Chemistry, 2020.
閱讀更多 材料material 的文章
