原创 光谱电化学及其在微流体中的应用现状与挑战(下)

5.暗场显微镜SEC（DFM SEC）

5.1. DFM-SEC中的局域表面等离子体共振（LSPR）

如今，金纳米颗粒、银纳米颗粒和锗纳米颗粒等金属纳米颗粒已成为一类具有独特光学、催化、机械和生物性能的材料。由于其卓越的抗菌和抗炎作用，银纳米粒子已被广泛应用于客户产品（如手机、冰箱等）和医学。金纳米颗粒已被用于检测细菌、太阳能电池和离子电解质。NP的局域表面等离子体共振（LSPR）的代表性照明如图7a所示。导带中的受限电子，即电子云，被入射电场（光）取代。由于剩余的固定和带正电的原子核的库仑力，带负电的电子云再次被撤回。

富含电子的金属NP，如AuNP、AgNP和PtNP，可以表现出固有的LSPR，这是由颗粒周围局部环境的粒径、形状、成分、颗粒间间距和介电性能定义的（图7b）。因此，NP在水悬浮液中的氧化/还原将导致LSPR频率的变化。基于这一特性，可以通过探测光谱消光光谱的变化来追踪和分析NP的化学状态。然而，这些信息无法通过既定的非光谱分辨光学方法访问，这些方法只监测信号强度。此外，很好地证明了NP的氧化还原电位与尺寸有关。NP的合成方案通常会导致NP尺寸分布的固有异质性。因此，可以在异质NP分布中观察单个NP的研究将使研究人员能够观察到通过现有的集成电化学技术无法观察到的趋势。

5.2. DFM-SEC的应用

暗场散射技术正受到越来越多的关注，因为现有的原位测量（如荧光光谱和SERS）无法轻易揭示单个实体/纳米级水平的变化。暗场显微镜（DFM）与电化学技术（以下简称DFM SEC）相结合，可以直接观察单个NP上发生的化学反应。在图7c中，光被载玻片上的NP散射。因此，载玻片上的NP在黑暗的背景下被明亮地照亮。然后，通过近红外区域的散射来跟踪LSPR。NP的LSPR消光最大值可以用DFM测量，并使用电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）相机记录。因此，DFM-SEC被应用于研究单个NP上的氧化过程。

当Au、Ag和Pt等纳米结构富电子金属的表面电子在表面等离子体共振条件下被光学激发时，它们表现出强烈的光散射和吸收特性。由于其优异且稳定的催化效率，金纳米粒子已被广泛应用于清洁能源转换。在这篇论文中，如图8（a1，a2）所示，潘的团队使用肼作为模型，在单个AuNP水平上研究了局部催化活性和结构-功能关系。在平面和小型化ITO电极上，使用光散射SEC方法实时分析了肼在AuNP上的电催化氧化动力学。与基于自发碰撞事件的NP检测方法相比，ITO超微电极技术和DFS更好地理解了催化反应及其可重复性。

最近，Kevin等人使用DFM-SEC研究了在Cl-离子存在下单个AgNP（~50 nm）的实时原位氧化。图8（b1）是Kevin等人的DFM-SEC装置示意图。使用高光谱成像（HSI）和CCD相机记录CV（50 mV/s）电化学过程中光谱位置和LSPR强度的变化。图8（b2）给出了CV期间不同施加电势下单个AgNP的CCD快照。这使研究人员能够观察和分析AgNP在Cl-存在下的氧化还原过程。在施加约0.1V的电势后，AgNP被氧化为氯化银（AgCl）。随着电势的增加（~1V），AgCl继续氧化为Ag2O3或AgClO2。在反向扫描过程中（电势降至~0V），氧化物被还原为AgNP。值得注意的是，这项工作还提供了一种全面的微粒表征方法。

除了不同的NP外，DFM-SEC技术还使用了不同的纳米结构金属。出色的LSPR特性和高各向异性使Au三角形纳米板（AuTNP）因其尖锐的顶点而脱颖而出，提供了电场增强的热点。Gu等人最近的一项实验工作表明，AuTNPs成功地用于灵敏和选择性地监测焦磷酸盐（PPi）。这种关键的生物阴离子在各种基本生理过程（如细胞代谢和RNA和DNA聚合）中起着重要作用。这项工作是基于PPi对Cu2+和I-离子溶液中AuNPLs蚀刻的抑制作用。Cu2+和I-离子对AuNPL的蚀刻导致AuNPL LSPR散射光谱的蓝移和强度降低。然而，由于PPi对Cu2+离子具有很强的亲和力，添加PPi可以抑制AuNPLs的蚀刻。基于这些事实，顾等人成功建立了一个简单、灵敏、选择性的单颗粒分析平台，用于定量检测PPi，甚至用于真实的生物样本。

6.SEC技术在微流体中的应用

众所周知，微流体经常被引用的优点，包括更快的响应时间、更低的试剂体积和集成潜力，是研究工作中的重要考虑因素。在研究了SEC技术的最新发展后，一个有趣的事实是，SEC和微流体的结合正成为研究论文的一种趋势。然而，由于DFM技术的使用有限和NMR的受限细胞结构，目前的应用主要依赖于SERS/Raman或UV-Vis基SEC+微流体的组合。

6.1. SERS/Raman SEC在微流体中的应用

基于有限的可用论文，图9显示了使用集成技术进行的一些代表性研究。Singh等人提出了一种相对简单但有吸引力的配置，用于高灵敏度检测冈田酸（OA）。在这个组合检测模块中，微流控芯片被用来很好地混合OA和OA适配体。随后对与OA适配体具有亲和力的磷烯-金纳米复合材料修饰的丝网印刷碳电极（SPCE）进行了分析。OA检测的高性能，无论是定性还是定量，都表明所提出的护理点设备可以用于在捕鱼单位进行农场检测。

“固定”SERS活性基底是指具有特定形态的纳米结构（如NP、纳米柱森林和纳米点阵列等）永久附着在基底上。例如，在Triroj等人最近发表的研究中，制备了类金刚石碳薄膜作为微流体装置中的生物传感平台/基底，如图9a所示。袁等人报道了一种原位微流体分析系统，该系统使用纳米结构的金表面作为WE，同时使用SERS活性基底。关于微流体装置和纳米结构Au基板的信息可以在图9b中找到。然而，“Immobile”SERS基质的一个缺点是它们仅供一次性使用。随着对重复“固定”SERS的追求，Belder等人通过施加脉冲电压成功实现了SERS底物的再生，这已被证明具有很高的可重复性。这项工作将化学粗糙化的银线结合到微流控芯片中，并用于SERS测量。基于所提出的结构，通过施加电势来清洁SERS基板，实现了银线SERS基板的电再生过程（图9b）。此外，孔雀石绿拉曼光谱的高再现性证实了同一SERS底物的多次回收。

6.2. UV-Vis-SEC在微流体中的应用

同样，UV-Vis SEC和微流体的组合方法已被广泛应用于生物技术、催化、环境保护等领域。然而，与SERS/Raman SEC相比，UV-Vis SEC在微流体中的应用更多，这可能是因为电极基板更容易制备。如图10（a1-a3）所示，在Colina等人报告的这项有趣的工作中，报告了一种使用或将商业SWCNT转移到不同的非导体和透明载体上的简单方法，如WE[174]。这项工作消除了WE制备过程中经常使用的液压步骤，显著扩大了将SWCNT薄膜转移到几乎任何载体上的可能性。这项工作的另一个有趣之处是使用了二维SEC技术。如图10（a3）所示，两种不同的光束布置，即正常和平行传输布置，被集成到同一设备中，以在二茂铁甲醇电极过程中收集互补信息。Wang等人提出了另一种用于UV-Vis SEC的有趣微流体装置。本文采用并行传输布置，避免了OTE。光谱测量是使用“内部”构建的可见微光谱仪进行的，该光谱仪由氘/卤钨光源和CCD光谱仪组成。

在图10b所示的工作中，Seong等人首次报道了一种具有纳米酶的电化学护理点装置，用于高定量过氧化氢（H2O2），这是一种在细胞内发出信号的分子。电极（WE、CE、RE）是使用市场上可用的ITO电极制备的。然后，如图10b所示，将人工纳米结构酶固定在微流体通道中，在H2O2存在下对3,3′，5,5′-四甲基联苯胺（TMB）底物显示出强大的催化活性。随后使用UV-Vis-SEC技术分析蓝色氧化TMB。最后，基于所提出的器件结构，成功实现了1µM至3 mM范围内H2O2的广泛检测和1.62µM的低检出限。

7.总结与展望

我们详细介绍了复合SEC技术的最新发展，包括UV-Vis SEC、拉曼SEC、DFM SEC、NMR SEC，以及SEC技术和微流体相结合的最新进展。此外，还对工作原理和所选应用中遇到的问题进行了详细分析。如上所述，电化学和光谱学（SEC技术）的结合已被应用于不同的研究领域，从电子转移过程、反应机理、法医学到电化学反应中中间体和最终产物的测定。此外，纳米技术的不断进步和新材料（NP、导电聚合物和复合材料）的使用进一步促进了SEC技术的发展。然而，上述每种SEC技术仍然存在一些局限性，从实验室规模到广泛的实际应用，总结如下：

UV-Vis-SEC——对于UV-Vis-SCE技术，如图2所示，OTE几乎是正常传输布置中不可避免的主题。（i） 然而，ITO和FTO等常用的OTE存在负惰性电位窗口较少的问题，薄膜金属OTE由于相应的金属氧化而仅限于需要高电位的电化学研究。因此，考虑到OTE的局限性，越来越多的人选择平行排列配置，如表2所示。与正常的传输布置相比，并行布置配置更有利于进行二维SEC技术。（ii）然而，在并行工作模式下，需要光束的完美但困难的对准，使操作过程复杂化。

SERS SEC——根据科学网网站的最新统计数据，与其他SEC技术相比，拉曼SEC技术是使用最广泛的一种（图1b）。考虑到拉曼信号的巨大增强因子，SERS和电化学之间的组合越来越多地被使用。已经制备并研究了不同的金属/复合NP或其他受限的纳米结构形态，如纳米柱林和纳米点阵列。然而，（i）对纳米结构SERS活性基底的需求无疑会增加实验的难度、成本和时间。（ii）考虑到纳米颗粒合成的固有批次差异和储存难度，一个重要问题是它们的可重复性。其他困难包括（iii）拉曼信号中的背景噪声和（iv）用于纳入护理点或使用点系统的复杂仪器。尽管存在手持式拉曼光谱仪，但它们受到分辨率和带宽的限制。因此，开发拉曼活性SERS基底将是该SERS SEC技术广泛应用的关键研究领域。

NMR SEC——对于NMR SEC技术，这似乎是最通用的辅助技术，用于识别捕获的化学部分或小生物分子的分子特征。然而，由于核磁共振技术的低灵敏度问题，核磁共振SEC的大部分用途都集中在电化学过程中收集反应中间体的信息，以确定可能的反应途径[77,78107]。NMR SEC广泛使用的局限性是：（i）由于金属导电电极导致的磁场均匀性恶化；以及（ii）使用薄金属或非金属电极，如碳微纤维或聚合物电极，通常需要复杂的制造协议。此外，由于可实现的电流低，非金属电极通常具有有限的电化学应用。

DFM-SEC——与其他SEC技术不同，DFM-SEC技术更侧重于从单一NP水平研究结构特征和催化剂活性之间的关系。由于纳米级的理解对于设计和生产稳定高性能的催化剂至关重要，然而，通过研究近年来发表的文章（图1b），我们可以看到，在研究界广泛应用之前，这项技术还有相当大的差距需要跨越。原因如下：（i）该技术对电极材料有很高的要求：DFM SEC中需要OTE。（ii）光路和电路的复杂耦合过程。（iii）此外，DFM SEC设置需要大量的光学元件，可能不容易整合到护理点或使用点系统中。（iv）DFM SEC的可靠性和设备间差异也是值得关注的问题。

总之，我们详细介绍了复合SEC技术的最新发展，包括UV-Vis SEC、SERS SEC、NMR SEC和DFM SEC。详细分析了它们在应用中遇到的工作原理挑战和最新发展方向。使用SEC技术和微流体正在成为生物技术、催化、环境保护等研究领域的一个有趣趋势。值得注意的是，从总结（表2）中可以看出，一些文章在研究中采用了原位二维SEC方法，这将更全面地了解试剂的反应机理、电子转移机理、中间体、产物浓度和相关反应途径。尽管存在许多兼容性问题、相互干扰、光路布局等，但这将是未来有前景的发展方向之一。尽管这些SEC技术有许多局限性需要突破，但随着新功能材料和纳米技术的不断发展，人们最终将解决SEC技术中存在的这些问题（如UV-Vis/DFM SEC中的OTE、SERS SEC中SERS活性底物的可重复使用性，或NMR SEC中磁场的不均匀性）。这篇综述文章将使更多的人，无论是成熟的研究人员还是新手，熟悉SEC技术的使用，并最终实现推广SEC技术的目标。

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