（分析化学专业论文）乙酰丙氨酸、磺胺等功能性分子与金属作用的拉曼光谱学研究.pdf

上海师范大学硕士学位论文 摘要 表面增强拉曼光谱( s u r f a c e - e n h a n c e dr a m a ns p e c t r o s c o p y , s e r s ) 是一种具 有单分子水平的检测技术，但其应用一直受到s e r s 活性基底的限制。本文在植 酸盐存在的情况下，合成了具有高s e r s 活性的金纳米粒子。自组装技术能够提 供一个可控的、有序的功能界面，将其与s e r s 技术联用，在不同的实验条件下， 获零导心t 、乙酰丙氨酸和磺胺分子在金属表瑟的自组装增强拉曼光谱。根据振 动量化计算和拉曼表面增强机制，解析上述分子与基底之间吸附作用机理。本文 具体虑容如下： 利用表面增强披曼散射( s e r s ) 光谱，考察a m t 浓度对于其在银纳米粒子 上吸附取羯的影响。s e r s 实验结果表明，a m t 分子以巯基和噻重氮环上的秀个 硫原子作为吸附位点，浓度为1 0 0m 时，a m t 以斜立的方式吸附于银溶胶表面； 浓度为l 酽m 时，a m t 分子巾噻唑环更垂直于银表面；当浓度梵董o 巧m 时，a m t 分子中则以较为平躺的方式吸附于银溶胶表面。 利用表面增强拉曼光谱研究了乙酰丙氨酸分子在银表面的融组装过程及其 吸附构型。s e r s 实验结果表明，乙酰丙氨酸分子是通过氨基和整个羧基以较为 蛊立酶方法经过自组装后吸附在银表面的。s e r s 和x p s 实验结果均表骥，c e 3 + 离子因为与乙酰丙氮酸分子中的羰基和氨基发生络合作用，从而破坏了银表面 的乙酰丙氮酸单分子层，然焉该破坏可以通过e d t a 溶液进行修复。僵楚r 对乙 酰丙氨酸单分子层的影响是可以忽略的。 磺胺类药物抗菌谱广，性质稳定，对控制感染性疫病有穰好麓作用，是日常 生活中的常见药物。通过特殊的电化学方法粗糙后，可以获得磺胺分子在银表面 上的s e r s 光谱。s e r s 光谱分析结果表明，磺胺分子能在银表面自组装成紧密有 序的单分子层，并且通过调节p h 值，可以得到完全质子化和完全去质子化的磺胺 分子在银表面靛皇组装单分子层。质子化的磺胺分子以n 珏为佟用位点，苯环以 较为直立的方式吸附在银表面；当p h = 1 3 时，去质子化的磺胺分子以n 7 为作用位 点，n 终和s 吣2 远离银表面，苯环直立的方式吸附于银表面。 电化学活化法所制备的电极表面有明显的缺点，即袭面粗糙度难以控制，稳 定性、重复性较差。金、银溶胶作为s e r s 活性基底都能产生很好的增强效果。 最常用的是胶体水溶液体系，针对的对象为可溶性的吸附分子，广泛用予生物化 摘要上海师范大学硕士学位论文 学及痕量分析等领域。本章中报道了一种根据柠檬酸钠还原法改进的金溶胶的割 备方法。在实验过程中加入了无危害的植酸盐，制备出珍珠项链状的纳米金，该 纳米粒予具有一定的稳定性( 大予两个胃) 。植酸在实验过程中起到连接剂的作 用，通过调节其用量，使得相邻纳米颗粒间的距离达到最佳值( 约为2 越) 。以 2 巯基毗啶( 2 m p y ) 为探针分子，测得的表面增强拉曼散射因子可达到1 0 7 以上。 关键词：表面增强拉曼光谱银金单分子层作用a m t 乙酰丙氨酸磺胺2 - 巯基吡啶植酸 h 上海繇范犬学矮圭学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t s u r f a c e - e n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s e r s ) s p e c t r o s c o p yw a su s e dt oo b s e r v e d t h ea d s o r p t i o nb e h a v i o ro f2 - a m i n o - 5 一m e r c a p t o - 1 ，3 ，4 - t h i a d i a z o l e ( a m t ) a tt h es i l v e r c o l l o i d i ti sf o u n dt h a tb o 吐lt h ec o n c e n t r a t i o na n dt h et i m ei m p a c to na d s o r p t i o n f a s h i o no fa m t a sc o n c e n t r a t i o na tlo 3m ，a m tm o l e c u l e sa d s o r ba tt h es i l v e r c o l l o i ds u r f a c ei nat i t l e do r i e n t a t i o nt h r o u g ht w os u l f u ra t o m so fm e r c a p t oa n d t h i a d i a z o l er i n g w 1 l i l e 娃l ec o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e dt ol 酽m ，a m tm o l e c u l e s p e r p e n d i c u l a r l ya t t a c ho n t ot h es u r f a c e 。a tm u c hl o w e rc o n c e n t r a t i o no f10 巧酰a m t m o l e c u l e st e n dt ol i eo nt h es i l v e rs u r f a c ei naf l a tm o d eo ff i n g s u r f a c e - e n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s e r s ) s p e c t r o s c o p yw a sa p p l i e dt oo b s e r v e t h ep r o c e s sa n ds t r u c t u r eo fn - a c e t y l a l a n i n em o l e c u l e ss e l f - a s s e m b l e da tt h es i l v e r s u r f a c e s e r sd a t as h o wt h a t t h en - a c e t y l a l a n i n em o l e c u l e sa d s o r ba tt h es i l v e r s u r f a c et h r o u g ht h ea m i n og r o u pa n dt h ee n t i r ec a r b o x y lg r o u pi na p e r p e n d i c u l a rw a y a f t e ras e l f - r e o r g a n i z a t i o n r e s u l t so fs e l l sa n dx - r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p i c e x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ec d + a f f e c t st h es t r u c t u r eo fm o n o l a y e r sb e c a u s eo ft h e b i n d i n gr e a c t i o nb e t w e e nt h ec e a n d t h ec a r b o n y la l o n g 谢也t h ea m i n og r o u p si n n - a c e t y l a l a n i n e 。曩1 ec c a p p e db yn - a c e t y l a l a n i n em o n o l a y e r sc a nb er e m o v e db y a d d i n ge d t as o l u t i o na n dt h eo r i g i n a l s t n l c n l l o fm o n o l a y e r si sr e c o v e r e d h o w e v e r , t h ei m p a c to fr o nt h e 姗t u f eo f n - a c e t y l a l a n i n em o n o l a y e r si ss l i g h t a n dc a nb ei g n o r e d s u l f a n i l a m i d e sa r et h ef i r s te f f e c t i v ec h e m o t h e r a p e u t i ca g e n t st ob ee m p l o y e d s y s t e m i c a l l y f o rt h ep r e v e n t i o na n dc u r eo fb a c t e r i a li n f e c t i o n si nh u m a n s f u r t h e r m o r e ，s u l 氩d r u g sa n d t h e i rc o m p l e x e sh a v em a n ya p p l i c a t i o n s ，s u c ha sd i u r e t i c ， a n t i g l a u c o m a o ra n t i e p i l e p t i c d r u g s ，a m o n go t h e r s a f t e rt h ee l e c t r o c h e m i c a l l y r o u g h e n e ds i l v e rs u r f a c e ，s e r ss p e c t r ao fs u l f a n i l a m i d es a m s o nt h es i l v e rs u r f a c e w e r eo b t a i n e da td i f f e r e n tp hm e d i a a s s i g n m e n t so ft h eo b t a i n e ds p e c t r aw e r e p e r f o r m e db yt h ed e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d e dc a l c u l a t i o n sa t b l y p 6 311g m e t h o d 。b a s e do ns 纛r sp r o d u c i n gm e c h a n i s m , t h ea d s o r p t i o nf a s h i o n so f s u l f a n i l a m i d ea tt h es i l v e rs u r f a c e sw e r ed e d u c e dt h a tt h ef u l l yp r o t o n a t e d l l l a 搬姗 上海9 i l i 范大学硕士学位论文 s u l f a n i l a m i d em o l e c u l ea d s o r b e do nt h es i l v e rs u r f a c et h r o u g hn 玛磁g r o u pa n d b e n z e n er i n ga n c h o r e di nar e l a t i v ep e r p e n d i c u l a r i t yw a yl e a d i n gt on 7 啦a n ds t 0 0 2 g r o u p sn e a rt h es u r f a c e ，w h i l et h ec o m p l e t e l yd e p r o t o n a t e ds u l f a n i l a m i d em o l e c u l e a t t a c h e do nt h es i l v e rs u r f a c ev i an 。7 i - 1 2g r o u pa n dt h eb e n z e n er i n gw a si na p e r p e n d i c u l a r i t ym a n n e r , a sw c u a sn 1 3 h za n ds1 0 0 2g r o u p sf a ra w a yf r o mt h es i l v e r s u r f a c e t h ee l e c t r o d e r o u g h e n e db y e l e c t r o c h e m i c a lm e t h o dp e r f o r m ss o m e d i s a d v a n t a g e sw h e nc o m p a r e dt om e t a ln a n o p a r t i c l e s ，s u c h a sb a ds t a b i l i t ya n d r e p r o d u c i b i l i t y s i l v e ra n dg o l dn a n o p a r i t c l e sa ss e r sa c t i v es u b s t m t e sp o s s e s sh i 曲 s e l l se n h a n c e m e n t 。w a t e r - s o l u b l es o l ，w h i c hi se m p l o y e di ns t u d i e so fw a t e r - s o l u b l e m o l e c u l e sa d s o r p t i o n ，i sa p p l i e di nm a n ya r e a s ，s u c ha sb i o c h e m i s t ya n dt r a c ea n a l y s i s w cr e p o r taf a c i l em e t h o dt op r e p a r e dg o l dp a r t i c l e si nn a n o - p e a r l - n e c k l a c ep a t t e r n w i t hc o n s i d e r a b l es t a b l i t y ( 2 m o n t h s ) b yu s i n go fa ne n v i r o n m e n t a l l yb e n i g nr e a g e n t o fi n o s i t o lh e x p h o s p h a t e ( i p 6 ) i e 6a c t e da sat u n a b l ec r o s s l i n k e rt oo b t a i nas u i t a b l e s e p a r a t i o n ( - 2 n m ) b e t w e e nn e i g h b o r i n gp a r t i c l e sf o rs u r f a c ep l a s m o n sb yv a r y i n gt h e d o s a g e o fi p 6 ，w h i c hd e m o n s t r a t et h eh i g he n h a n c e m e n tf a c t o rp 1 0 7 ) f o r 2 - m e r c a p t o p y r i d i n e ( 2 - m p y ) r a m a ns c a t t e r i n g 。 k e y w o r d s ：s e r s ，s i l v e r , g o l d ，m o n o l a y e r s ，i n t e r a c t i o n ，a m t ) n - a c e t y l a l a n i n e ， s u l f a n i l a m i d e ，2 - m p y , i n o s i t o lh e x p h o s p h a t e i v 论文独创性声明 上海师范大学硕士学位论文 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所擞的贡献均已在论文中做了骧确鲶声明并表 示了谢意。 作者签名：日期： 论文使用授权声明 本入完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段傺存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：导师签名：日期： 上海师范大学硕士学位论文绪论 第一章绪论 表面分析作为分析化学的一个重要分支，近年来随着科学技术的飞速发展， 各种新型仪器的问世以及计算枕技术的不断提离，表面分析已经由微米级进入到 纳米级时代，使得人们能够从原子和分子级水平来认识表面，因此受到越来越多 的关注。始于上世纪七十年代的表面增强拉曼教射( s u r f a c ee n h a n c e dr a m a n s c a t t e r i n g ，s e r s ) 技术发展非常迅速，凭借超高的灵敏度，已被广泛运用于研 究金属以及金属纳米颗粒等基底的表谣分子形貌、分子的排列和取向、单分子层 薄膜的形成、成膜分子间的相互作用，以及膜的物理、化学、机械等方面的性质。 功能性分子在金属表面衍为的s e r s 研究也成为目前科学家们竞相研究的热 点。如不同金属电极表面吡啶及其衍生物的s 脓s 光谱学研究有不少相关报道 f l 翻。2 0 0 5 年，n i c o l a e 等人就磷值对硫胺分子在金溶胶上吸附行为进行t s e r s 研究 3 1 ；2 0 0 6 年，关于1 ，4 三乙炔苯和苯基丙氨酸分别在金、银溶胶上的s e r s 行为相继有擐道m , s i ；近期，n a n d i t a d 、组将s e r s 技术和量子纯学计算相结合，探 讨了绿原酸在银溶胶上的吸附行为【6 】。 将功戆性分子修饰到金瘸表面有多种方法，包括单分子修饰有共价键合法、 吸附法、欠电位沉积法、l b 膜法和自组装( s e l f - a s s e m b l e ds a ) 膜法。其中，s a m s 是通过分子与基体表面以及分子闻的物理化学俸用，蠢发构成的一类热力学稳 定、排列规则的单层膜，具有均匀一致，高密堆积和低缺陷等特点，与其他方法 相比s a m s 有更好的稳定性和化学活性，特别是在控制由分子所造成的微结构和 动力学性质方面有着无可比拟的优越性 7 1 。通过设计s a m s 成膜分子的组成和结 构，达到精确的化学控制，获得特定功能表面。因此，s a m s 的结构高度有序稻 规整性等优点，为研究表面自组织过程、构效关系及界面现象等本质问题也提供 了一个理想简单敲模型。 本论文的主要工作是在相关的研究基础上，利用s e r s 技术探讨了乙酰丙 氨酸、磺胺等功能性分子通过自组装技术修饰在不同的s e r s 活性基底上的吸附 行为。 缝论 上海师范大学硕士学位论文 1 1 。拉曼散射 1 1 。1 拉曼散射的基本原理l 瓢l l 电磁波与物质相互作用时会发生吸收、反射、散射等过程。其中散射光包括 弹性散射和非弹性散射两种，前者是频率不变的散射，也就是我们常说的瑞利散 射；后者是频率发生改变的散射，包括拉曼散射和布里渊散射。在这里，我们将 简单介绍一下拉受散射。 1 9 2 8 年印度物理学家c 。v 。r a m a n 等研究人员发现了一种菲弹性散射。当频率 为v o 的单色光入射到物质以后，物质中的分子会对入射光产生散射，散射光的频 率为v o 士a v ，邸在激发线两侧备存在一条谱线，在低频一侧频率为v o - v 董j 谱线称 为斯托克斯线，在高频一侧频率为v o + v 的谱线称为反斯托克斯线。我们称这种散 射为拉曼( r a m a n ) 教射。每种物质的拉曼线可以有若干对，每对线对应于物质 的某两个能级间差值( 振动、转动或电子能量间的差值) 。 jk j。jl 1r 宦 - e - v ， e i j r1 s t o k e s s c a t t e r i n g r a y l e i g h s c a t t e r i n g a n t i - s t o k e s s c a t t e r i n g e x c i t e ds t a t e v i r t u a ls t a t e g r o u n ds t a t e f i g u r e1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mf o rr a m a ns c a t t e r i n gp r o c e s s 。 如图l - l 所示，对于拉曼散射过程焉富，在入射光照射下，分子先出基态 岛( 或振动激发态e 1 ) 被激发至虚态( v i r t u a ls t a t e ) 高能级，该能级介于基态和 电子第一激发态之间，随即发磁光子，分子能量回到振动激发态e l ( 或基态e 0 ) ， 光予失去( 或褥到) 的能量与分子得到( 或失去) 的能量相等，即2 l e - - v ，反映 了振动能级的变化。因此，根据入射光子和散射光子频率变化，就可以判断高分 子含有的化学键或基团。对于多原子分子，拉曼振动选律是a v 一：t ：l 。拉曼光谱的 2 上海师范大学硕士学位论文 绪论 纵坐标是散射光强度，横坐标为拉曼位移( v o - v ，单位c m l ) 。 1 1 2 拉曼散射的经典理论l 董o l 当入射光到达物质表面时，表面分子发生振荡，偶极子被极化。对于弹性教 射，分子诱导偶极矩p 与极化度口可表示为 p = a e 1 - 1 焉入射光邀场与时闰差的关系如下 e = e 睁o s 2 州 1 。 式中岛为入射光电场振幅；v o 为入射光频率：将式1 - 2 代入式1 - 1 得 p = 诬口c o s 2 鼢碡 1 - 3 在频率很小时，捃可用泰勒级数( t a y l o rs e r i e s ) 震开，由于高次项楣豢予倍 频及组频，强度很小，故略去，仅取到二次项，见下式 历= 鳓+ ( 蝴) q 1 - 4 式中锄失分子平衡构型的极化度；彩彰固夕是在乎衡构型下极化度随波长 和键角变化的变量；q 为简正坐标，相当于振动位移坐标，是时间的函数，在谐 振子近似模型下可表示为： q = q o c o 妇删 l - 5 式中2 霈为分予基频振动。将式1 - 5 代入式1 - 4 得 岔省锄( a t a 2 ) ( q o c o s 2 w v m t ) ， 薹巧 将式1 - 6 代入式1 - 3 得 p = 嘞e 筘口s2 删+ ( 胡融名q ) e o 锄c o s 2 x v m tc o s 2 万v o t 1 - 7 上式进行三角函数变换 绪论上海师范大学礤士学位论文 p = - o o e o c o s 2 n 荆o t + l 恐( a 耐a q ) e 8 q o c o s 2 刀( v o + v m ) t + c o s 2 宠( v o - v m ) l j l 堪 式中，o oe o c o s 2 9 v o t 项对应瑞利散射，1 2 ( 别8 q ) 而l 锄 c o s 2 硝v o + v m ) t + c o s 2 n ( v o - ) t i n 当拉曼散射，v o - v m 和v o + v m 分别是s t o k e s 和a n t i s t o k e s 线。 可见，拉曼散射强度与极化度随平衡距差值变动速率( 占b 谚有关。 拉曼散射经典理论无法解释为什么a n t i s t o k e s 线强度比s t o k e s 线的弱，以 及控曼散射为何严格遵循选律等闯题，但在拉曼教射量子理论中可以找到答案。 由予该闯题与本论文内容无太多关联，故不在此不住介绍。 1 1 3 拉曼散射的特点_ 1 9 1 分子光谱学在科学研究中占有重要位置，现有的分子结构等分子信息大多是 从分子光谱学中获得的。拉曼光谱属于分子振动和转动光谱范畴。拉曼光谱与红 外光谱联合使用，在物理、化学、材料科学、生命科学等诸领域有重要的应用价 值。拉曼光谱技术在应用中具有红外光谱等不具备的优越性，主要表现为： ( 1 ) 拉曼光谱的频率位移v 不受单色光源频率的限制。单色光源的频率可以根据 样品的不同特点而有所选择。红外光谱的光源则不能任意调换。 ( 2 ) 激光的方向性强，光束发散角小，可聚焦在很小的面积上对极微量的样品进 行测定。拉曼光谱使用的激光为激发光源，其单色性好，因而拉曼光谱谱带比红 外光谱的谱带更尖锐，分辨性好。另外，拉曼光谱使用的激光光源性质使其相当 易于探测微量样品，如溶液、粉末、气体、薄膜、表面和许多其他类型的样品。 ( 3 ) 用拉曼光谱进行光谱分析时，水是有用的溶剂，而对红外光谱水是差的溶剂。 拉曼光谱测量所用器件和样品池材料可以由玻璃或石英制成，而红外光谱测量需 要用k b r 等盐材料。 ( 4 ) 单独一台拉曼光谱仪，就可覆盖整个振动频率范霜。焉在用傅里时红钋系统 时，为了覆盖这个范围就必须改变检测器或光束劈列器，用传统的红外光谱仪测 量必须使用两台以上仪器才能覆盖这一区域。 ( 5 ) 拉曼活性的谱带是基团极化率随简正振动改变的关系，而红外活性的谱带则 上海师范大学硕士学位论文绪论 是基匿偶板矩随简正振动改变的关系，拉曼谱带中包含的倍频及组频谱带比红外 光谱中的要少。拉曼光谱往往仅出现基频谱带，谱带清楚，分析起来要比红外光 谱更简单。 另外，使用高功率脉冲激光器对受激拉曼散射和超拉曼散射效应等非线性现 象的研究可大大增加人们对物质固态和液态结构方面的认识。 1 。2 表面增强拉曼光谱 就像其它科学领域的发展一样，表面增强控曼散射( s e 醛) 也经历了一个 发现、确认、发展的过程。1 9 7 4 年英国科学家f i e i s c h m a n n 等研究人员1 2 0 】首先发现 了具有缀大增强的挝曼散射现象。他的本意是想将所使羽的银电极经过电位多次 氧化还原处理以后，使其表面粗糙程度加大以增加其表面积，希望通过该手段 来增加表面被吸附分子的数鹜，以获褥较强昀拉曼信号强度。结果他们意外地发 现：吸附在银电极表面吡啶分子的拉曼散射信号强度大大地增强了。但是他并没 有意识到这是一种新的现象，丽是篱单地将所观察至l 的现象归因予较大的吸附表 面导致的吸附分子数目的增加。 直到1 9 7 7 年，j e a n m a i r e f 2 l 和c r e i g h t o n t w l 等人分别独立地研究了 l e i s c 觚瓣l 等 人的实验，得到了相同的结果。经过分析后他们认为，仅靠简单地增大电极表面 不足以解释所观测到鲍增强程度，认定这是一种新的现象，并把它舞结为一静全 新的表面光化学效应表面增强拉曼散射( s u f f a c e e n h a n c e dr r m r ns c a t t e r i n g ) ， 简称s e r s 。 所谓表面增强拉曼散射效应，是指当一些分子吸附到经特殊处理或制备的粗 糙金属或胶体表面( 如金、锻、铜) 时，它销的拉曼光谱强度会增加l 薜l 扩倍。 1 9 9 7 年，n i e d , 组t 2 3 】和k n e i p p 小组【2 4 】分别报道了纳米银粒子上1 0 1 4 倍的s e r s 增强 信号，实现了表面吸附物种肇分子检测。 s e r s 的发现，同时也促使了其它相关领域研究工作的复兴与发展，如经典 电磁理论、溶胶体系的研究等。同时也极大地推动了表面科学、材料科学等重要 研究领域的迅猛发展。 缝论 上海魉范大攀硬士学位论文 1 2 1 表面增强拉曼散射的基本原理 拉曼散射过程与入射光诱导和振动调制的分子偶极矩户变化相关。当分子 吸附在金属表面后，表面对极化度优和入射光电场嚣会产生影响，同时还要考 虑电场e 通过分子的四极偶极子极化度a 对诱导偶极矩p 的贡献，因此，式1 1 可改写为 p = 伍e + 墟31 - 9 从式1 - 9 中可见，由于a 或( 和) 在表露被极大地增强，加之表面电场梯 度大的对户贡献也大，结果就在某些粗糙的金属界面上，观察到了很强的拉曼 散射增强。 同种分子各振动频率的表面增强因子不尽相同，因此s e r s 光谱特征与普通 拉曼散射光谱相比差异很大，除了有分子对称性因素外，还与拉曼散射表面增强 机制有关。西前，有多种s e r s 理论泌翔，但尚未有一个理想模型，能充分地阐 述该效应的全部特征，且许多理论问也还有争议。然而，人们公认粗糙化金属表 面是构筑s e r s 基质的关键，并认为可能有两种因素即电磁增强( e m ) 和化学 增强效应，对s e r s 产生作出了贡献鲫。 电磁物理增强模型认为当激光照射到粗糙的金属表面时，表面等离子体被激 发到高能级，并与光波电场发生耦合共振，引起金属表面局域电场急制增强，产 生拉曼散射增强。电磁理论能较好地解释为什么只有红色激光才能发现铜和金属 表面s e r s 、入射光角度以及分子偶极矩定向对s e r s 强度的影响等，并且比较 成功地解释了其它金属表面增强现象，如表面增强荧光光谱、表面增强光化学以 及表面增强非线性光学等。由于电磁增强所涉及的分子与金属间作用为物理吸 附，而对分子的化学性质并不敏感，原则上来讲，任何物理吸附在表面上的分子 都应表现出增强效应。然而，不同的物质分子在金属一电解质界面上的增强效应 有很大的差别。说明电磁增强理论存在局限性，不可能排除分子与金属表面发生 化学吸附的化学增强机制的影响。 化学增强模型认为s e r s 产生与电荷转移( c h a r g e - t r a n s f e r ，篱称为c t ) 有 关。在化学增强机制中，电荷转移模型是被广泛接受的一种模型。该理论模型认 为，分子首先吸附在金属表面，分子基态能级可以发生一定频移或拓宽，从而与 6 上海师范大学硕士学位论文绪论 金属费米f f e r m i ) 面附近的空电子态发生共振跃迁，电荷在吸附分子与金属之闻发 生交换，电荷转移的结果可以导致分予有效极化率增加，从而产生拉曼散射的增 强。 电荷转移模型预示了产生拉曼增强的必要条件是吸附分子与金属表面发生 纯学作用，形成化学键。因此，当分予与金属表面闻距逐步拉大时，s e r s 效应 因为化学键的削弱而迅速减小，也即该增强机制表现为短程性。另外，电荷转移 模型表明s e l l s 效应还受分子在表面的取囱情况的影响。化学类模型强调分子与 金属基底间的吸附是化学吸附，s e r s 谱图应与普通拉曼谱图有着明显的差别， 从s e r s 谱上应可以观察到大的频移、峰相对强度的改变或新峰的出现。 然而，通过理论计算，上述两种机制的增强因子都未超过1 0 4 ，与实验观察 僮有差距，因此，有待提出更合理战机理来认识s e r s 本质。毽毋庸质疑的是， 经多年的发展，s e r s 技术已成为表面科学中一种提供分子水平信息的有力工具。 1 2 2 表面增强拉曼散射的特性 尽管目前s e r s 机制理论仍有较大争论【2 8 】，但是这些并不妨碍人们对其特性 的认识和了解溯。 ( 1 ) s e r s 的最重要特性就是具有很大的增强因子，吸附在粗糙的银、金、铜、钠 等贵金属和碱金属表面的分子的拉曼散射强度要比普通的分子增加1 0 4 1 0 7 倍。 ( 2 ) 实现s e r s 的金属表面要有一定亚微观或微观的粗糙度，也就是说金属基体只 有在它的表面被适当粗糙化蘑，才能显示s e r s 效应。 ( 3 ) 许多化合物能产生s e r s 效应，文献中已报道了几百种化合物的s e r s 光谱， 其中大都是杂环化会物。 ( 4 ) s e r s 表现有长程性( 分子离开表面数十埃至上百埃仍有增强现象) 和短程性 ( 分予离开表面l - 2 埃效应便迅速减弱) ，s e r s 强度随分子离金属基底表面距离的 增加而迅速降低。一般较小的分子被吸附到金属表面时，分子内部所有振动的拉 曼信号都能同样地被增强而观察不到距离效应，而较大的生物分予吸附到基底表 面时，与表面接近的基团显示出较强的增强，丽离表面远的基团的增强效应则较 小。 ( 5 ) 与普通拉曼相比，化合物的s e r s 谱大多数谱峰的频率稍有变化，但相对强度 7 绪论上海师范大学硕士学位论文 却有很大的差别，即分子的不同振动模式增强因子不同，并有不同的激发曲线( 指 增强极大和激发频率的关系曲线) 。 ( 6 ) 普通拉曼光谱信号的强度与激发光频率的四次方成正比，但s e r s 强度却不遵 循这一关系。s e r s 强度先随激发光频率降低恧增强，在达到极大癔，随激发光 频率降低反而下降。s e r s 强度和激发光频率的关系与金属基底有关，银基赢对 不同频率的激发光都有较好的s e r s 效应，s e r s 强度的极大值在黄光或红光区； 两对金和铜基底，使用蓝光时，一般只有很小的s e r s 效应，s e 骼强度最大筐耀 应的激发光频率要比在银基底上的低。 ) 在单分子层吸附的情况下，s e l l s 强度与覆盖度的关系是非线性的。并不是吸 附在粗糙金属基底表面的分子都能产生s 嚣骼效应，大部分的增强效应是出一夺 部分吸附在金属基底表面活性位置的分子产生的。 ( 8 ) 普通的拉曼光谱中，谱峰的出现完全遵守拉曼跃迁的选择性定则，即仪为红 外活性的振动模式将不会在拉曼谱图中出现。但对s e r s 光谱，选择性定则并不 太严格，有时在s e r s 光谱中能观察到与仅为红外活性振动模式相应的谱峰的出 现。 ( 9 ) 许多化合物特别是生物分子有较强的荧光，在测量此类化合物的普通拉曼光 谱时，往往受到很强的荧光的干扰丽不能褥到很好的拉曼光谱。但在测量s e l l s 时，许多化合物的荧光将被淬灭，因而哉得到质量很好的s e r s 光谱。 ( 1 0 ) 产生s e r s 的金属表面，同时还可能会产生不依吸附分子而变化的连续非弹 性散射现象。 薹2 3 表面增强拉曼散射的应用及其研究进展 自s e r s 发现后很快在表面科学、分析科学和生物科学等领域得到广泛的应 用，为深入表征各种表面界恧( 备神固液、圈气和固圈界蘧) 的结构和过程 提供分子水平上髂信息，如鉴别分子( 离子) 在表瑟蛉键合、构型和取向以及材 料的表面结构。s e l l s 技术主要是研究与吸附分子有关的表面现象，是确定吸附 分予的种类，测定吸附分子在基体表面的取向、研究吸附分子在表面的反应、研 究分子的吸附共吸附等现象的强有力的工具。例如p e m b e r t o n 等t 3 0 j 还利用s e r s 光谱考察了不同巯基烷烃分子在光滑、机械或电化学粗糙化银表面上的s a m s ， 襄 上海师范大学硕士学位论文绪论 评价了各种单分子膜的缺陷、有序性和取高。k u d e l s k i 3 秘研究了巯基乙醇在金、 银和铜表面上s a m s 膜的s e r s 光谱，发现溶液酸度能诱导其吸脱附平衡过程。 一般来说，大多数s e l l s 的应用都是建立在对吸附分予的定性分析的基础上的。 在s e r s 现象发现后的最初时间里，研究的方向主要集中在特性及起因方面， 经过一段时间的发展，目前及将来会采用多种技术联用：s e r s 和其它技术一样， 既有它的优势也存在缺点和不足。虽然s e r s 的应用范围不断地拓宽，已涉及化 学、物理、材料表征、生物医学诊断等众多领域。2 0 0 2 年，k n e i p p 等t a 2 】人首次采 用拉曼光谱检测与纳米金共孵育后的活细胞，获得了细胞内多种生物分子的特征 表面增强拉曼光谱。之后，s e r s 凭借信息量大、检测灵敏度高等优点，逐渐被 应用到活细胞的分析检n q j t 3 3 掣1 。最近，s u j i t h 等人以银纳米粒子为探针，对酵 母细胞进行s e r s 分析，获得了酵母活细胞的s e r s 光谱瞰i 。值得一提的是，2 0 0 8 年聂书明教授将s e r s 的应用扩展到了生物医学领域，实现了用s e r s 技术对癌细 胞的检测i 3 6 j 。 s e r s 基底的制备一直是s e r s 技术最重要的研究领域，而且对于扩大s e r s 的研究范围和应用领域也起着重要的作用。利用日益成熟的纳米材料的制备技 术，获得颗粒形状和大小可以很好控制的纳米颗粒，并将其作为模型材料来研究 s e r s 的增强机理也是目前的研究熟点【1 0 1 。 1 3 表面增强拉曼散射的活性基底简介 活性基底的制备是获得s e r s 信号酌重要前提，在表面增强拉曼光谱中，用 得最普遍的活性基质为金属电极、金属溶胶和金属沉积岛3 大类。但制备出符合 要求的纳米结构表西在实验上仍然是一令挑战。一方面，s e r s 基底的发震能不 断拓宽s e r s 的应用范围；另一方面，为了将实验和理论联系起来，制备适当的 有规则结构的s e r s 基底可以提供理想的模型以检验s e r s 理论。为了将s e r s 作 为一种常规、在线的分析工具，所制备的s e r s 基底应具有增强能力强、稳定、 易于制备和储存、使用方便等特点。因而新型s e r s 基底的制备在s e r s 的发展中 有着重要的地位，一直以来是s e r s 领域研究的热点之。 经过近三十年的摸索，科研工作者构建了各种各样的s e r s 实验体系，到目 前为止，可作为s e r s 活性基底的物质有a g 、a u 、c u 、p t 、l i 、n a 、k 、a 1 、 9 绪论上海师范大学硕士学位论文 狐、n i 、孙、r 娃、z 黥及某些金属氧化物和半导体材料，其中以a g 、a u 、c u 三 种金属最常见。它们中又以a g 的增强效果最佳，应用也最为广泛。传统的s e r s 活性基底有以下三种： 1 3 1 电极表面 采用氯化还原方法处理金属电极表面，通过控制氧化还原的过程，可以德到 不同粗糙程度的表面。每一个o r c 循环由两个过程组成，首先是将电极表丽的金 属氧化，在电极表面形成氧化膜，接着把氧化膜还原使金属重新沉积在电极表面。 这样通过多次的氧化还原，就可以使电极表面粗糙化p 7 j 。通过扫描电镜m ) 图象来看，粗糙度一般在1 0 5 0 0n m 之间。可以通过所施加的电压来影响s e r s 信 号的强度。电化学活化迄今仍是最常用的制备s e r s 活性基底的方法之一。但是， 电化学活化法也有明显的缺点，即表面粗糙度难以控制，稳定性、重复性较差。 1 3 2 金属溶胶 虽前应用最广泛的s e r s 基痣是金属胶体颗粒，这种方法篱单快捷。其中金、 银溶胶为s e r s 的研究提供较为准确、丰富的信息。自1 9 7 9 年c r e i g h t o n l 3 8 j 等人在 银溶胶中观察到吡啶分子吸附的表面增强拉曼散射以来，人们用银溶胶和金溶胶 作为基底进行了大量实验，相继研究了染料、芳香族羧酸、含硫化合物、聚合物、 氨基酸、d n a 、r n a 、卟啉在金、银溶胶或氯化银、溴化银、碘化银溶胶中吸 附的表面增强拉曼散射 3 9 4 3 。 金、银溶胶作s e r s 基底都能产生很好的增强效果。劁备金、银溶胶的方法 很多，徨其基本步骤大体相似，即把水溶性的盐溶液经化学还原面成1 4 4 ，4 5 1 。虽前 的研究表明，金、银溶胶作为s e r s 活性的基底，最常用的是胶体水溶液体系， 针对的对象为可溶性的吸附分子，广泛用于生物化学及痕量分析等领域。溶解在 胶体中的分子被吸附后，引起胶体颗粒一定程度的凝聚，此为产生增强效应的必 要条件。胶体粒子的凝聚状态反映在吸收光谱中是在长波位置出现一个新的吸收 峰，这可以作为判断s e r s 活性基底的一种手段。一般其有s e r s 效应的分子都熊 使溶胶产生不同程度的凝聚。 在此基础上，近年来又出现了不少将金和银纳米粒子组装至固体基底上的囊 1 0 上海师范大学硕士学位论文 绪论 缀装膜表面，形成金和银纳米粒子的亚单层膜，发现这样的基底具有良好的 s e r s 活性【4 6 4 7 1 。这种利用金属或半导体纳米粒子与一些化学基网的相互作用， 可以将纳米粒子在这些化学基团组成的表面上有序地排列起来，从而形成二维阵 列，这就是所谓的纳米粒子二维组装。金属纳米粒子的= 维组装避免了金属胶体 悬浮液稳定性和重现性均较差的问题。 重3 3 真空沉积的金属岛膜 在高真空条件下，焉蒸镀或冷沉积的方法，在载体上得到一定粗糙凄豹金属 岛膜。高真空体系避免了共吸附等现象的发生及其它因素的影响。在该体系中做 拉曼测量时，可以较为准确的控制分子的吸附量，较大范匿的改变温度。盘于真 空沉积易予与其它真空和表面分析手段结合，因此这一方法在s e r s 机理研究中 被较多采震强s 规l ，尤其被表砥物理学家新采用。僵实验时要求的条件比较苛刻， 从目前的文献看，关于此法制备s e r s 活性基底的工作报道相互矛盾之处也较多， 所有这些都限制了这一方法的应嗣。 除了上述三种常用的s e r s 基底之外，还有许多类型的s e r s 基底，其中包括 化学刻蚀和化学沉积、离子溅射法、徽刻法、褫械抛光法、气体蒸发法、平板印 刷法等等，尽管这些方法在一些特殊的场合有着一定的优点，但是也存在大量缺 点，总的说来，这些基底在s e r s 研究中的应用运不如前三种基底广泛。 1 4 自组装单分子膜 1 4 。1 自组装