通过受限光催化化学发光实现可调谐余辉，用于生物传感应用

《Journal of Colloid and Interface Science》：Tunable afterglow via confined photocatalytic chemiluminescence for biosensing applications

长寿命磷光材料通过光催化ROS生成与化学发光级联反应实现，利用空间受限纳米结构调控发光特性。实验采用TiO?、C?N?等光催化剂与L012、FLS等水溶性化学发光试剂构建平台，通过调整试剂组合与比例，成功获得19.7-331.8ms可调发光时间，并开发出高灵敏度荧光磷酸酶生物传感器。该通用策略简化了磷光材料设计，拓展了生物传感应用。

　　

庄 王 | 吴 开青 | 杨 洪 | 王 成辰 | 侯 玉华 | 王 开远 | 蔡 金鹏 | 刘 宋琴 | 陈 燕 | 沈 延飞 | 韦 韦 | 张 元健

中国东南大学化学与化学工程学院智能富碳材料与器件工程中心，南京 211189

摘要

长寿命余辉材料由于其能够最小化自荧光干扰，在生物应用中具有很高的价值。然而，现有的系统通常需要复杂的机制和精确的成分。在这里，我们提出了一种通用的余辉平台，通过在空间受限的纳米结构中级联光催化活性氧生成和化学发光反应来实现。这种方法通过调整光催化剂和化学发光试剂的组合和比例以及照射时间，可以轻松调节光学性质，包括激发/发射波长、寿命和强度。作为演示，我们开发了一种用于检测碱性磷酸酶活性的稳定开启型生物传感器，该传感器以闪烁模式显示持久的余辉，并具有高灵敏度。这种多功能策略简化了余辉材料的设计和合成，提供了可定制的光学特性，并在生物传感和生物成像中展现出广阔的应用前景。

引言

具有长发光寿命的余辉材料在停止激发光后可以持续发出光信号，从而有效消除生物系统中来自自荧光物质和散射光背景的干扰。目前，余辉通常通过三种机制实现：持久发光（PL）、室温磷光（RTP）和热激活延迟荧光（TADF）。PL材料通过缺陷能级捕获激发电子或空穴，随后缓慢释放并发生辐射复合来实现延迟发射；而RTP和TADF材料则通过三重态激发态到单重态的电子跃迁实现长寿命发光。这些材料已在发光器件[1]、[2]、[3]、化学传感[4]、[5]、[6]、[7]、生物成像[8]、[9]、[10]、[11]以及信息加密[12]、[13]、[14]等领域取得成功应用。然而，每种机制都有其局限性，例如PL依赖于稀土金属离子等激活剂和晶体结构中的缺陷态[15]、[16]、[17]；而RTP和TADF则需要不同自旋多重态之间的高效系间穿越（ISC），这需要强电子耦合和刚性结构的稳定[18]、[19]。这些要求对分子结构的设计和合成施加了严格限制，使得调节其光学性质变得困难。此外，高温制备的PL固体分散性差[20]，以及RTP材料在水溶液中的强烈淬灭现象限制了其在生物相关应用中的使用[21]、[22]。因此，开发一种制备简便、应用广泛且光学性质灵活的余辉平台具有重要意义。 为了解决这些问题，人们开发了由光敏剂、能量储存单元和发光体组成的有机余辉剂，这些试剂具有优异的可调性和设计灵活性[23]、[24]、[25]。然而，这些系统也带来了新的挑战，例如由于分子层面的快速光物理或光化学变化，难以控制余辉性能。此外，这类系统的应用范围受到特定光敏剂的需求限制，这些光敏剂需要通过三重态激子生成单线态氧，并且通常需要复杂的合成过程。相比之下，化学发光（CL）是在化学反应过程中产生激发态物种，随后释放可见光[26]、[27]。与光致发光不同，CL在没有外部光激发的情况下也能产生光信号，从而为生物传感应用提供了高信噪比。值得注意的是，CL的一个重要应用是灵敏地检测活性氧（ROS），包括羟基自由基（·OH）、超氧阴离子（·O₂^?）、单线态氧（¹O₂）和过氧化氢（H₂O₂）[28]、[29]、[30]。此外，ROS可以通过从传统TiO₂到新兴的无金属碳氮化物等各种光催化剂在吸收光能后生成[31]、[32]、[33]、[34]。基于这些认识，我们认为级联两种常见反应——光催化生成ROS和随后的ROS触发的CL反应——可以提供一种更简单、更通用的方法来产生余辉发光，关键在于控制ROS和CL试剂之间的扩散和相互作用。 在这里，我们报道了一种基于在空间受限组装体内级联光催化自由基生成和CL反应的通用余辉平台。在光激发下，位于核壳纳米结构内的光催化剂生成ROS，这些ROS随后向外扩散并与被外层框架封装的CL试剂发生反应（图1）。与依赖PL、RTP、TADF等复杂且特定延迟机制的传统系统或常规有机余辉剂不同，我们的系统可以通过在受限纳米结构内组装多种光催化剂和CL试剂来简单构建。因此，可以通过调整光催化剂/CL试剂的组合、比例和照射时间来预测和调节光学性质。作为概念验证，我们选择了水溶性鲁米诺衍生物L012（E_m = 468 nm）和荧光素（FLS，E_m = 520 nm），它们可以由TiO₂（E_x = 365 nm）、C₃N₄（E_x = 400 nm）和C₅N₂（E_x = 420 nm）光催化剂生成的ROS触发，实现了19.7 ms至331.8 ms的余辉寿命。由于它们的高稳定性，我们进一步开发了一种用于检测碱性磷酸酶（ALP）的开启型余辉生物传感器，该传感器采用闪烁模式并具有快速激发循环特性。这一通用平台为获取余辉发光提供了一种简单且可控的方法，为生物传感应用提供了广泛的应用可能性。

C₃N₄-HMS-Lu@lip 的制备和结构表征

如图2a所示，首先使用中孔二氧化硅（HMS）作为骨架，通过化学气相沉积（CVD）DCDA前驱体合成CN纳米颗粒。然后，通过薄膜水合方法将C₃N₄-HMS和CL试剂封装在脂质体中。选择鲁米诺衍生物L012作为化学发光试剂，因为它具有优异的水溶性和发光强度[35]。为了确认最终C₃N₄-HMS-Lu@lip产品的形态...

结论

总之，我们提出了一种通过在空间受限组装体内级联光生成ROS过程和化学发光来轻松实现余辉发光的通用策略。作为概念验证，我们使用不同的光催化剂核心和水溶性染料作为CL试剂，构建了C₃N₄-HMS-Lu@lip、TiO₂-HMS-Lu@lip和C₅N₂-HMS-FLS@lip等余辉系统。脂质体封装使得聚集的ROS能够向外扩散并持续反应...

CRediT作者贡献声明

庄 王：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，数据管理。 吴 开青：方法学，数据管理。 杨 洪：方法学，数据管理。 王 成辰：方法学，数据管理。 侯 玉华：方法学，数据管理。 王 开远：方法学，数据管理。 蔡 金鹏：方法学，数据管理。 刘 宋琴：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。 陈 燕：撰写 – 审稿与编辑。 沈 延飞：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2024YFE0112500）的支持。