项目负责人：崔华

2020年12月23日

随着对各类材料的探究尺度逐渐纳米化（10-9 m），用于研究纳米催化剂而发展的新技术、表征材料结构-活性关系而构建的新方法，以及已建立或正在建立的催化新机理，不断突破物理学、化学等基础学科的认知边界。纳米材料较高的表面活性原子比例以及独特的光电特性，使得许多化学反应在纳米材料表面具有较高的反应速率和好的反应选择性，因此表现出优异的催化活性。研究纳米材料的催化活性与机理是探索新型高效纳米催化及和发展新的催化理论的关键科学问题，而发展新型分析仪器与技术则是解决这一问题的重要手段。

为了实现对纳米颗粒催化活性的测量，人们需要考虑两个问题。第一，如何“看见”纳米颗粒，同时区分颗粒间的异质性；第二，如何提取出纳米粒的信号，指示催化活性或选择性。针对这些问题，目前已发展成熟的技术如单分子荧光成像技术，它通过荧光生色团间接表征纳米颗粒的催化活性。尽管基于荧光的方式，帮助许多国内外课题组获得了重要发现，然而由于荧光活性物种局限以及“猝灭”和“闪烁”现象的存在，导致该方法离广泛投入使用还存在一定距离。

化学发光与荧光不同，它利用化学能形成激发态分子，不需要外部激发光源，具有高信背比、灵敏度高的优点。化学发光通常测量的是化学发光强度随时间变化的曲线，直接反映了化学发光反应动力学特性。

基于光吸收的光热成像技术具有免标记、高灵敏度、对背景散射不敏感等优点，且具有光热性质的物种种类繁多，相较于依赖辐射发光的荧光来讲，光热测量更具备普遍性。

由中国科学技术大学牵头、南京大学参与的国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目“研究单纳米粒子催化反应的化学发光与光热多功能成像系统”近日通过验收，取得了突出的成绩。项目成功研制了兼具化学发光、光热和荧光成像能力的多功能光学显微成像系统。利用正置物镜和电子倍增电荷耦合器件实现宽场化学发光成像，利用倒置物镜与光源、相机、光电二极管集成系统分别实现点扫描式光热和宽场荧光成像。系统配置有溶液控制单元、温度控制单元、电化学控制单元、纳米位移台分别实现反应溶液、局部温度、反应电势、样品位置的调控；由自行研制的软件系统进行仪器控制、信号采集和数据分析（图1）。

图1. 化学发光、荧光、光热多功能成像系统

利用自主研制的多功能光学显微成像系统，以光催化产氢反应和化学发光反应为模型体系，开展了单颗粒催化反应动力学、规律和机理研究，取得了一系列创新研究成果。实现了单个半导体纳米颗粒光催化产氢活性的实时、定量测量，发现了半导体光化学反应的间歇现象（“光化学闪烁”），并阐释了其内在机制（图2）。

图2. 单个CdS纳米颗粒的“光化学闪烁”现象

这一原创性科学发现在微观尺度上建立了半导体光物理（“荧光闪烁”）与光化学之间的关联。成功获得了单个粒子的化学发光图像与动力学曲线研究，揭示了化学发光功能化材料的构效关系，提出了新的“辉光”型化学发光机理-慢扩散控制的异相催化作用机理，设计与合成了强而长的化学发光功能化材料（图3），在TNT和新冠病毒核衣壳蛋白检测中获得了显著增强的分析性能。

图3. 化学发光功能化磁珠的单颗粒成像

所研制的化学发光、光热和荧光多功能光学显微成像系统，为单颗粒催化反应研究提供了一个全新的手段；所发现的单颗粒“光化学闪烁”现象及其机制，对深入理解微纳尺度的电子转移和能量传递规律具有重要意义；所揭示的单颗粒化学发光构效关系的规律，对化学发光功能化纳米材料的合成和优化具有重要的指导意义，将促进基于纳米技术的化学发光免疫和核酸分析技术的研究，推动纳米化学发光新一代体外诊断技术的发展。相关研究成果共发表学术论文43篇，其中包括Nature Commun. 1篇、PNAS 3篇、J. Am. Chem. Soc. 2篇、Angew. Chem. Int. Ed. 3篇、Chem. Sci. 4篇、Anal. Chem. 16篇等；申请中国发明专利5项，其中3项已授权。培养博士后3人，博士和硕士研究生各8人。