（物理化学专业论文）分子自组装单层膜的表面增强拉曼光谱电化学研究.pdf

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做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表 示了谢意 作者签名 址璋日期 娴 毋 圩 论文使用授权声明 本人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 缩印或其它手段保存论文 保密的论文在解密后遵守此 规定 作者签名 现蕙牟导师签名 嘻锛统日期 泖矿 r 物理化学硕士论文 摘要 表面增强拉曼光谱 s u r f a c c 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 技术是目前最 常用的现场研究表面吸附和界面反应的谱学技术之一 把谱学方法与常规电化学 方法相结合的谱学电化学是在分子水平上现场表征和研究电化学体系的新技术 它在研究电极表面吸附分子物种的取向和键接 鉴定参与电化学过程的分子物种 等方面有突出优势 拉曼光谱以光子为探针 是研究表面物理 化学结构和性质 的有力工具 分子自组装 s e l f a s s e m b l e d m o n o l a y e r s s a m s 技术就是通过对自组 装分子的设计 达到人为控制表面组成 结构及其功能化的目的 因此自组装分 子在金属表面上所成膜的结构与性质 膜与金属表面之间的结合状态与机理的深 入研究就很有必要 从此目的出发 主要开展了以下几方面的工作 本论文选用半胱胺为代表的 端基功能化烷基硫醇衍生物 以及以核酸碱基 鸟嘌呤 腺嘌呤 为代表的生物分 子为研究对象 采用合适的方法将其自组装到金和银电极表面 并现场表面增强 拉曼光谱和电化学手段进行了表征 研究发现 表面吸附基团的拉曼谱峰随外界 环境的变化可以作为推断分子吸附构型的直接证据 本论文还对吸附膜的稳定性 和表面性质进行了研究 并对单层膜分子在电极表面的表面增强机理进行了详细 的分析 给出了合理的理论解释 关键字 表面增强拉曼光谱 分子自组装 半胱胺 鸟嘌呤 腺嘌呤 电位 p h 值 金电极 银电极 物理化学硕士论文 a b s t r a c t 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 i ss e n s i t i v e f o ri ns i t us t u d y i n go f o r i e n t a t i o no fm o l e c u l e sa d s o r b e do nt h es u b s t r a t ea n dp r o b i n go fi n t e r f a c i a l p h e n o m e n a s e r st e c h n o l o g y u s i n gs i l v e r g o l d o ro t h e rn o b l em e t a l sa ss u b s t r a t e s h a sb e e nap o w e r f u la n ds e n s i t i v ei n s t r u m e n t a lt o o lf o ro b t a i n i n gd e t a i l e di nf o r m a t i o n o fa d s o r b e dm o l e c u l e s s u c ha st h ea d s o r p t i o nc o n f i g u r a t i o no fm o l e c u l e sa n dt h e i n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo ft h em o l e c u l e sw i t ht h es u r f a c eo ft h es u b s t r a t e a ne l e c t r o d e m o d i f i e dw i t has a mc a nb et h eb a s i so ft h em o l e c u l a rd e s i g no fi n t e r f a c e st oc o n t r o l t h ec o n f i g u r a t i o na n ds t r u c t u r eo nt h ee l e c t r o d es u r f a c eo rg e tm o r ef u n c t i o n s m a n y o ft h e s ea p p l i c a t i o n sa r em a d e0 1 1m e t a l sm o s tp r a c t i c a lt ov a r i o u sb r a n c h e so fs u r f a c e c h e m i s t r y s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ef o r m a t i o na n ds t r u c t u r eo ft h ef i l m so f m o l e c u l a rf o r m e do nt h em e t a ls u r f a c e t h en a t u r eo ft h eb o n d i n gb e t w e e nm e t a la n d f i l m s a n dt h em e c h a n i s ma c c o m p a n y i n gt h ef o r m a t i o no ft h ea d s o r b e ds p e c i e s i no r d e rt oa c h i e v ea b o v eo b j e c t i v e s t h i st h e s i sw o r kd e n sw i t ht h ef o l l o w i n g r e s e a r c hw o r k w ep r e p a r e dt h eu n i f o r mf i l m so fc y s t e a m i n ea n db a s i cu n i tso f n u c l e i ca c i do ug o l do rs i l v e rm e t a le l e c t r o d e ss u r f a c ew i t hp r o p e rm e t h o d s c h a r a c t e r i z a t i o no ft h es a m sw a sp e r f o r m e db yi n s i t us u r f a c e e n h a n c e dr a m a n s p e c t r o s c o p y s e r s a n de l e c t r o c h e m i s t r y 1 1 1 ec o n t r i b u t i o no ft h i sw o r ki so f i m p o r t a n c ei nu n d e r s t a n d i n gt h ei n t e r r a c i a lp r o p e r t i e so fs a m so nm e t a ls u r f a c e s n es t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so ft h ei n t e r f a e i a lr e o ni sd i f f e r e n tf r o mt h ef i l mb u l k 髓es e r ss p e c t r ao ft h ea d s o r p t i v eg r o u p so nt h es u r f a c e sw e r ee m p l o y e da st h e d i r e c te v i d e n c et od e d u c et h ea d s o r p t i v eo r i e n t a t i o no fs a m s w ee v m u a t e dt h e c a t e g o r ya n dp r o p e r t i e so ft h ea d s o r p t i v ef i l m sa n da n a l y z e dt h em e c h a n i s mo ft h e s e r so fs a m so ne l e c t r o d e ss u r f a c ei nd e t a i l t h et h e o r e t i cm o d e lw a sa l s op r o p o s e d i nt h i st h e s i s k e y w o r d s 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 l f a s s e m b l e dm o n o l a y e r c y s t e a m i n e g u a n i n e a d e n i n e p o t e n t i a l s o l u t i o np h g o l de l e c t r o d e s i l v e re l e c t r o d e 2 物理化学硕士论文一 第一章绪论 拉曼光谱作为表征分子振动能级的指纹光谱 在物理学 化学 生物学 以 及材料科学领域一直扮演着重要的角色 拉曼光谱与共焦显微技术结合 不仅可 以实现对样品的光谱探测 还可以实现对生物样品的三维可视化研究 但是普通 的拉曼散射信号强度很低 而且容易被背景荧光淹没 因此检测难度较大 难以 取得理想的显微图像 表面增强拉曼散射 s u r f a c e e 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 的发现 提高了基底与分子间的能量转移 避免了荧光背景的干扰 使拉曼散射光谱检测的精度产生了飞跃 表面增强拉曼光谱是一种非常有效的探 测界面特性和分子间相互作用 表征表面分子吸附行为和分子结构的工具 已发 展成为一种高灵敏度的研究界面和表面的技术 它已广泛应用于研究吸附分子在 表面的取向 构型 构象及其吸附行为 并且在与其他分析技术的联用方面也得 到了不断的发展和应用 实质上无论是表面或界面吸附 催化过程的研究 l b 膜结构分析 含量低达n g 至p g 的痕量分析 还是蛋白质 核酸或其他生物色素的 测定 s e r s 都起着越来越大的作用i 2 5 l o 当前 在电化学 电分析化学等研究领域中应用广泛 有关化学修饰电极的 组成 结构及性能的研究十分活跃 1 9 7 5 年化学修饰电极的问世 突破了传统 电化学中只限于研究裸电极 电解液界面的范围 开创了从化学状态上人为控制 电极表面结构及其性能的领域 通过对电极表面的分子裁剪 可以按研究者的意 图实现电极表面功能化 以便在其上有选择地进行所期望的反应 从而在分子水 平上实现电极表面功能化设计 表面功能化的化学修饰电极所表现出来的催化 光电 表面配位 富集与分离 分子识别等效应和功能 大大推动了自组装膜技 术在电分析化学和生物传感器等领域中的广泛应用 自从a d a m s 和k u w a m a 首次报道了有关光谱电化学方法的研究工作以来 得益于光谱学与电化学技术联用的优势 该方法得到了迅速的发展 已经成为电 化学研究领域的一个重要分支 并且有了非常广泛的含义 其特点是同时具有电 化学和光谱学二者的特征 可以在电极反应过程中获得多种有用的信息 为研究 电极过程机理 电极表面特性 检测反应中间体等提供了十分有力的研究手段 光谱电化学可分为非现场 c xs i t u 和现场 i ns i t u 两种 前者是在电化学反 3 物理化学硕士论文 应发生之前和之后 考察反应物和产物的结构信息和界面信息 但远不能满足电 化学反应机理研究的需要 因为有些电化学产物和中间体很不稳定 在终止电化 学反应或电极从电解池中取出的情况下 其结构和界面信息都有可能发生很大变 化 现场光谱电化学方法是指用光谱技术在电极反应过程中研究电化学反应 这 种方法能够获得分子水平的 实时的信息 研究化学修饰电极的光谱技术主要有 红外光谱 拉曼光谱 荧光光谱 偏振光谱 紫外可见光谱 圆二色谱等 1 本论文的主要工作就是运用表面增强拉曼散射光谱和分子自组装技术对以 半胱胺为代表的端基功能化烷基硫醇衍生物 以及以核酸碱基为代表的生物分子 修饰到电极表面后所形成的单分子层膜的结构及其表面性质进行了研究 以期为 在此基础上开发相关功能化表面装置 研究核酸等生物大分子的结构与性能打下 基础 1 1 表面增强拉曼散射光谱 s e r s 的原理及其应用现状 1 1 1 表面增强拉曼散射光谱的基本原理 一种物质的拉曼线可以有若干对 对称分布在激发线 v 的两侧 在低频端 频率为v o 一 v v o 一 n a y 称为斯托克斯线 在高频端频率为v o v v o n a y 称为反斯托克斯线 每一对拉曼谱线对应于物质的对能级的能量差值 拉曼散射光谱的主要优点是光谱灵敏度高 而它最大的缺点就是散射截面极小 平均每个分子大约为1 0 珈c 秆 而荧光光谱的有效散射截面大约为l f f l 6 c l n 2 对于 生物分子来说 被检测成分的浓度一般都比较低 小的散射截面无法产生足够强 的拉曼散射信号 而激发光强度过高又将会引起样品的光漂白及光损伤等 1 9 7 4 年 f l c i s c h m a n 等h 1 在吸附于粗糙银电极表面的嘧啶分子上得到了远比预期高 的强拉曼信号 1 9 7 7 年 v a nd u y n c 和j e a n m a i r c 重复了f l e i s c h m a n 的实验 结果 这种极大的增强效应是一种由于拉曼散射效率提高而引起的真正意义上的 增强 在随后的几年里 对吸附于不同金属基底上的各种分子也都观察到了这种 增强效应 这种现象就是被称为表面增强散射 而且 当满足共振拉曼条件时 还可以获得表面增强共振拉曼散射 s e r r s 效应 提高了入射光能量向拉曼散 4 物理化学硕士论文 射的转移 研究表明s e r s 和s e r r s 可以将物质的拉曼散射截面提高1 0 1 4 1 0 1 5 倍 从而极大地提高了拉曼检测的灵敏度 s e r s 的原理非常复杂 曾有多种理论解释 目前公认的增强因素有两种i1 1 电磁增强和化学增强 而且以电磁增强为主要因素 只是当吸附分子与基底相距 很近时 才有明显的化学增强效应 图1 给出了表面增强拉曼散射原理的示意图 当分子吸附在纳米尺度的金属介质附近时 此处用金属小球表示 其接受到的场 强e m 由两部分构成 一是场强e 0 的入射光场 二是场强为e s p 的由金属小球感 应偶极子产生的电场 即 e u e o e s p 其中e s p 可以表示为 耻r 3 笼4 2 e o 勖南d 1 扩 在满足表面等离子体共振条件时 即r e e 2 e o 血 e 较小 e s p 将会变得非常大 分子处的有效电场将比入射光强 同理 如果拉曼散射光与金属小球发生表面等 离子体共振 其电场也将得到增强 综合考虑两种因素 可以得到总的电磁增强 因子为 g e m v 帕坪俐2 l 铡2 剩2 者 国 f i g 1 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 gm e c h a n i s m s e r s 技术不仅可以作为分子的指纹光谱进行物质识别 另一个重要的应用 是依据表面选择理论对分子的取向及结合力进行判断f 1 2 1 除了高特异性的优点 5 物理化学硕士论文 之外 s e r s 技术还具有其独特的优点 1 s e r s 技术具有超高的灵敏度 可以 进行分子水平的检测 如在液体检测环境中 检测限可以达到1 0 1 4 m 2 可在 水基或生理盐水基上观察样品 用水的特征谱线为参考进行绝对强度标记 3 通过探针分子与基底之间的能量转移实现荧光猝灭 从而可以避免生物样品自发 荧光或杂质荧光的干扰 还可以得到荧光物质清晰的拉曼光谱 4 采用基于探针 的s e r s 及合适的导光系统 有可能实现在体表面或内部组织的实时和高灵敏检 测 为应用于生物医学研究提供了一种新的方法 这些优点使得s e r s 技术非常 适用于生命科学研究 尤其是分子水平的非标记无损检测研究 1 1 2 表面增强拉曼散射光谱的应用现状 拉曼光谱技术是表面科学和材料科学等领域中一种重要的研究手段 特别在 某些金属基底上表面增强拉曼散射 s e r s 技术所表现出来的极高灵敏度 使其得 到了更为广泛的应用 二十余年来的s e r s 实验及理论研究表明 该现象不但与 表面科学而且与纳米科学密切相关 尚有许多亟待深入研究的重要科学问题 近 年来 新一代高灵敏度的共焦显微拉曼谱仪的出现 使得表面拉曼光谱技术的应 用取得了一些突破性进展 如已获得了单分子的s e r s 谱 1 9 9 7 年美国印第安 纳大学n i e 研究组在s c i e n c e 上报道了利用s e r s 光谱方法检测到单分子吸附在 单个金属银纳米颗粒上的高质量s e r s 谱图 其增强因子高达1 0 1 4 即放大倍数 达到百万亿倍 被认为是目前单分子科学的最重要的研究方法之一 另外 我 国厦门大学田中群研究组克服了二十余年来s e r s 研究体系的主要局限 将 s e r s 光谱研究拓宽至许多过渡金属电极 德国海里希 海涅大学o t t o 研究组成 功地采用a t r 电解池 利用表面等离子激元增强方法获得了光滑单晶电极上相 对较强的表面拉曼信号 厦门大学的任斌等在针尖拉曼光谱方面的研究l i j j 等 上述进展极大地拓宽了表面拉曼光谱的研究和应用领域 并给多年来尚未解决的 s e r s 机理和表面r a m a n 选择定律的研究带来了新的挑战和希望 有望促进表面 科学 纳米科学和材料科学技术与理论的发展 也表明表面拉曼光谱研究和应用 目前正处在重要的新发展阶段 6 物理化学硕士论文 1 2 自组装膜研究的概况 自组现象的发现可以追溯到1 9 4 6 年z i s m 姐n 妇等报道了用正十八烷基三氯硅 烷吸附在玻璃表面形成的首个自组装单分子膜 s e l f a s s e m b l e dm o n o l a y e r s s a m s 从此以后 自组装便成为一种专门的成膜技术被人们广泛地加以研究 1 9 8 3 年 美国化学家n u z z o 和a l l a r a 的工作成为自组装发展史上的一个重要里程碑 f 1 5 1 2 0 世纪8 0 年代的1 0 年间 有关自组装单分子膜的研究内容主要集中在有机 硅烷吸附在硅 二氧化硅或玻璃表面 1 6 1 7 1 期间 研究人员相继探索和建立了 许多其他的自组装体系 在这些体系中 烷基硫酵在金表面形成的单分子膜是一 类研究得最为深入而广泛的体系 1 8 2 3 1 9 9 0 t g 以 随着扫描隧道显微镜 s t m 阻 和原子力显微镜 a n 田 2 5 1 的发明 以及同系列仪器如侧向力显微镜 l f m 磁力显微镜 m f m 等的研制成 功和广泛使用 使得自组装单分子膜这一研究领域也取得了一些重要的进展 而 另一方面 人们希望发展能够提供分子结构 尤其是吸附分子结构信息的现场技 术并能够应用于自组装膜体系的研究 红外光谱技术在这方面的应用是较为成功 的 但是在电化学体系中 使用红外辐射的不利条件阻碍了红外技术的应用 例 如 电化学中最普遍使用的和最重要的溶剂水是红外强吸收的 给这一介质中的 研究带来困难 普通使用的窗片材料在低能区 1 8 mq 配制所有的溶液 3 2 2 实验方法 s e r s 光谱测试中所用的金表面 9 9 9 9 采用电化学氧化还原循环 0 r q 进行活化处理 详细的处理方法与我们先前所采用的方法相同 o r c 预处理实 验过程中采用铂电极为对电极 参比电极为饱和甘汞电极 电化学仪器为上海辰 华公司的c h l 7 5 0 电化学分析仪 经o r c 粗糙化预处理的金电极浸入到预先配 置好的1 5 r e t 0 0 1 l 1 的半胱胺溶液中浸泡约2 4 d 时 之后取出用去离子水冲洗后进 行光谱测试 s e r s 光谱测试在自制的以聚四氟乙烯为材料的光谱电化学原位池 中进行 实验过程中所使用的不同p n 值的溶液 是由硼酸 磷酸和冰醋酸配制而 成的0 2 5 m o l lb r i t t o n r o b i n s o n0 3 鼬缓冲原液通过n a o h 溶液调节与 0 2 5 m o l l 高氯酸钠等体积混合而成 2 0 物理化学硕士论文 3 3 结果与讨论 自组装完成后 仔细冲洗电极表面 把自制拉曼电极旋进原位池中 在电极上 加入0 2 5t o o l d m 3 n a c l 0 4 作为支持电解质 厚度约为0 5 r a m 进行采集金电极 表面半胱胺的s e r s 光谱 9 3 3 a u n 1 l z 删 1 j j u u i 个 a 个b r 1 t 1 r 1 t 1 t r 1 t 1 广 r t t t 1 r 1 f 1 t t r 1 5 0 06 0 0 7 0 08 0 09 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 01 4 0 0 绷锄锄 揶 锄3 1 锄 m n m a m c m 5 咖州雌n 由 f i g 3 1 s e r ss p e c t r ao fac y s t e a m i n el a y e ro nag o l de l e c t r o d ei n a p h 1 8 2 b p h 3 5 5 c p h 5 4 7 dp h 7 5 9 rb u f f e r s o l u t i o n sc o n t a i n i n g0 2 5 mn a c l 0 4 在含n a c l 0 4 的一系列不同p h 值的b r 缓冲溶液中进行s e r s 光谱测定 其中部分p h 值条件下的s e r s 光谱如图3 1 所示 图中9 3 3 c m d 处的谱峰对应的 是c 1 0 4 的完全对称伸缩振动特征峰 在此 c 1 0 4 不仅是作为支持电解质组分而 存在 同时它也是我们借助s e r s 光谱强度变化来检测半胱胺自组装膜端基氨基 物理化学硕士论文 质子化的程度的s e r s 光谱探针 借助于质子化氨基与c 1 0 4 之间的静电吸引作 用力 通过测定在不同p h 值条件下9 3 3u l n 1 处谱峰强度的改变 可以间接地探 测单分子膜中端基氨基其质子化程度的变化 由图3 1 可以看出 随着溶液p h 值的逐渐增大 9 3 3 c m 1 特征谱峰的强度 逐渐减弱 说明半胱胺s a m s 中端基氨基的质子化程度在减小 为了依据所获得 的s e r s 光谱滴定结果定量计算该s a m s 的表面p k a 在此 根据测试实验的条 件 必须要考虑到在不同p h 溶液中进行测试时 表面增强因子差异对计算结果 的准确性所造成的影响 s e r s 光谱测试技术其最重要的特性就是对在金 银和 铜等金属基底表面吸附的物种而言 金属基底表面的粗糙化会对吸附物种的拉曼 散射光谱带来极大的增强效应 即s e r s 效应 但由于受到粗糙化程度不均匀一 致等客观因素的影响 很难保证一般粗糙化电极表面各处的表面增强因子完全相 同 而我们在实际的s e r s 光谱滴定测试中 不可能保证在不同p h 值条件下在 修饰电极表面的同一点进行测试 为了消除因各点增强因子不同造成s e r s 光谱 强度差异对表面p 磁值的精确计算带来的不利影响 我们十分有必要寻找一个内 标来扣除这种影响 以保证依据s e r s 光谱实验数据所获得的计算结果的准确 性 在本实验中 2 9 2 0c i n 1 处的峰对应的是半胱胺分子中 c h 2 的反对称伸缩振 动峰 由于 c h 2 是中性基团 其谱峰强度不受溶液p h 值变化的影响 谱峰强度 的改变反映的应该是电极表面不同点s e r s 增强因子的差异 为此 我们采用 c h 2 的该特征峰作为内标 用于计算半胱胺s a m s 的表面p k 即用c 1 0 4 和 c n 2 特振峰的强度比来代替c 1 0 4 特征峰强度衡量半胱胺s a m s 中氨基的质子化程 度 以期有效消除因s e r s 增强因子差异对表面p i q 准确计算所带来的影响 依 据不同p h 值条件下9 3 3 c m 1 与2 9 2 0 c m 1 特征谱峰强度之比 可以得到如图3 2 所示的半胱胺s a m s 表面p k 测定的s e r s 光谱滴定曲线 物理化学硕士论文 o 瓮 k 釜 历 c 旦 三 p h v a l u e s f i 9 3 2 s e r st i t r a t i o nc u i y e sf o rc y s t e a m i n es a m so ng o l d i o n i cs t r e n g t h 0 2 5 mn a c l 0 4 依据此s e r s 滴定曲线 我们可以很方便从滴定曲线突跃的中点值来确 定半胱胺s a m s 表面p 磁值 通常用滴定曲线突跃的中点值p k l f 2 来表示自组 1 8 m o i 配 q 所有的溶液 4 2 2 金电极的预处理与半胱胺单层膜的自组装 金电极的预处理 将多晶金电极机械抛光致镜面光滑 超声洗涤后放 到0 5 m o l l 硫酸溶液中循环扫描 以彻底消除表面可能存在的氧化物 得 到的金电极峰的形状和位置同外延法新鲜生长金膜的标准图相一致 物理化学硕士论文 将预处理好后的金电极浸入到预先配置好的的半胱胺水溶中进行自组装 之 后取出用去离子水冲洗后进行电化学测试 4 2 3 实验仪器 c h l 7 5 0 美国c h i 公司 电化学工作站 三电极体系 多晶金电极 西 2 0 0 m m 为工作电极 饱和甘汞电极为参比电极 铂片电极为对电 极 实验中始终维持氮气氛 实验温度为室温 拉曼光谱测试采用法国d i l o r 公司的s u p e rl a b r a mi i 型共焦显微激光拉曼仪 4 3 结果与讨论 4 3 1 半胱胺自组装单分子膜在酸碱性溶液中的脱附行为 单层自组装膜具有很高的稳定性 改变溶液的酸碱性对膜的结构影响不大 但在强碱性溶液中进行电位扫描是 巯基覆盖层将呈现定量地脱落 单层吸附量 不仅与电极表面的晶型有关 还与吸附分子的大小和在电极表面上的取向有关 钏 o h s a k a 6 2 6 3 3 和a l e x a n d r e 6 4 1 报道 巯基丙氨酸在金电极表面还原脱附的 循环附安图中可以观察到有多个脱附还原峰存在 他们认为其中的两个主要还原 脱附峰分别对应于多晶金电极表面a u n 0 和r e m 晶面上的硫醇的脱附 在本实验中 我们主要讨论巯基与金电极不同晶面之间的键合强度 并计算半胱 胺在不同晶面上的单位饱和吸附量 图1 给出了在a o a m 的半胱胺水溶液中浸渍时间不同的s a m s 修饰多晶金电 极在氮气饱和的0 5 m k o h 溶液中进行电位扫描的循环伏安曲线对比 电位扫描 的范围为 0 2 v 至 1 5 v v s s c e 可以看出 1 半胱胺分子在很短的时间 1 0 s 内能迅速的吸附到a u 1 1 0 和a u o o o 晶面上 分别对应 1 0 0 0 m y 和 1 1 0 0 m v 处的还原峰电位 图a b 而此时 7 0 0 m y 处的峰还没出现 2 浸 渍3 0 秒后 a u 1 1 0 和a u 1 0 0 吸附达饱和 以后随浸渍时间变化 这个不对称 的还原脱附蜂溶出峰电流没有明显的变化 在 7 0 0 m v 处可以观测到有新的脱有 新的脱附峰出现 这一脱附峰对应的是a u 1 1 1 晶面上的半胱胺s a m s 的还原脱 附 图d 9 0 0 秒后与1 7 小时的还原溶出峰面积基本上没有变化 图e f 物理化学硕士论文 3 还原峰电位随浸渍时间的由短到长的变化依次向负电位移动 说明浸渍时间 长更有利于形成致密稳定的单分子膜 由此我们得出了 在多晶金电极上 半胱 胺优先在a u 1 1 0 和a u 1 0 0 晶面上吸附 从还原溶出峰电位可以看出半胱胺 s a m s 与金电极间相结合的s a u 键的强度有如下顺序 即s a u 1 1 0 s a u 1 0 0 s a n 1 1 1 e v v s s c e 研g 4 1 d e s o r p t i o nb e h a v i o ro fl o i i mc y s t e a m i n eo np o l y c r y s t a l l i n e g o l da t d i f f e r e n tm o d i f i e dt i m ei n0 s mk o h a s s b l o s c 2 0 s d 3 0 s e 3 0 0 s f 6 0 0 s g 9 0 0 s h 1 7 h 在此实验条件下 根据还原峰面积公式 1 4 i 创n f a 式中r 吸附量 q 脱附峰面积 n 电子转移数 f 法拉第常数 a 电极表面的几何面积 计算 出半胱胺在不同晶面上的单位吸附量 a u 1 1 0 晶面上是1 1 6 x 1 0 q o m o l c m 2 a u 1 0 0 晶面上是5 8 3 x l f f l o m o l g i n 2 a u 1 1 1 晶面上是1 4 3 x l f f l o t o o l c m 2 由于 巯基的还原峰面积受碳链长度的影响 a u 1 1 1 晶面上吸附量数值与硫醇在 物理化学硕士论文 2 v 2 x 4 r 3 0 0 晶格上的理论吸附量1 4 4 x 1 0 1 0 m o l c m 2 很一致 b u t t r y 嘟1 等认为还原峰含有较大的充电电流成分 因此充电电流的基线应该校 正 尽管所的吸附量只是近似值 但该方法用于求算硫醇的表观覆盖度还是可行 的 另外 为了检测半胱胺单分子膜在酸性溶液中的稳定性 我们对半胱胺单 分子膜在0 5 m h 2 s 0 4 中进行线形电位扫描的情况进行研究 图4 2 是该单分子膜 在0 5 m h z s 0 4 溶液中的循环伏安曲线 金电极的还原溶出峰的峰电流基本相同 表明修饰在金电极表面的单分子膜在0 5 m h 2 s 0 4 溶液中发生了不可逆的氧化脱 附过程嘶3 此结果与b r o l o 研究半胱氨酸在硫酸中的氧化脱附结果相一致 s a m s 在o v 至1 o v 的电位范围内是较稳定的 e 垤 s c e f i g 4 2d e s o r p t i o nb e h a v i o r r e a ll i n e o fl o p mc y s t e a m i n eo np o l y c r y s t a i l i n e g o l di n0 s m1 1 2 s 0 4s o l u t i o n b a r e 舯mb e h a v i o ri sb r o k e nl i n e 物理化学硕士论文 4 3 2 半胱胺自组装单分子膜原位现场电化学s e r s 光谱 利用s e r s 技术定性地表征和研究与分子吸附的有关问题 首先要明确相关 分子的正常拉曼光谱及其谱峰的归属 我们以前对半胱胺分子在金电极表面的构 型进行了研究 在2 4 3u w 1 1 1 6 4 3 c m 1 7 3 2g l n 1 等处观察到有关半胱胺分子的特 征拉曼振动峰 其中出现在2 4 3 锄 1 处是s a u 的特征峰 5 2 7 c m 4 是 s s 键的伸 缩振动峰 而6 4 3 c m 1 处的谱峰是有关半胱胺分子弯曲吸附于电极表面构型的特 征峰 而7 3 2 c m d 处的谱峰代表的是半胱胺分子直立吸附于电极表面构型的特征 修 6 7 f i g 4 3 i ns i t us 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 gs p e c t r ao fc y s t e a m i n e a d s o r b e do ng o l ds u b s t r a t ei n0 s m k o hs o l u t i o n t h es c a no fp o t e n t i a lf o r 0 m v t o 1 5 0 0 m v v s s c e t h es c a nr a t ew a sl m v s 一 物理化学硕士论文 h g 4 a t h er a m a ns p e c t r u mo fe y t e a m i n eo ng o l de l e c t r o d es u r f a c e a td i f f e r e n tp o t e n t i a l a 0 m y c o 2 0 0m v c 7 0 0m v d 1 0 0 0m v e 1 5 0 0m v v s s c e 图4 3 显示了金电极表面半胱胺分子的现场电化学s e r s 光谱 可以看出 自组装膜谱峰的强度随电位的改变显示出有规律的变化 当电位从0 m v 至 一1 5 0 0 m v v s s c e 变化时 6 4 3 c m d 处谱峰的强度逐渐减弱 7 3 2 c m 1 处谱峰的强 度相对与6 4 3 c m 1 处谱峰的强度呈先增强再减弱的变化 电位达到 7 0 0 m y 时 6 4 3 c m 一 7 3 2 锄4 的两个峰消失 说明半胱胺分子在金电极表面发生了还原脱附 从而在电极表面上脱落 电位达到 1 0 0 0 m v 时 5 2 7 c m 1 处谱峰的开始出现 并 随电位负移 此谱峰强度逐渐增强 表明从 1 0 0 0 m v 到 1 5 0 0 m v 电位变化的脱 附过程中有二硫化物生成旧1 从图4 4 中谱峰强度的变化可以说明上述变化的 规律 所以推测在碱性条件下2 一氨基乙硫醇单分子自组装膜在粗糙化金电极表 n ej扫isco芑一 物理化学硕士论文 面上还原脱附反应可能的机理是 a u s c h 2 c h 一n h 2 2 h 0 a u h 0 2 s c h 2 一c h 一n h 2 3 h 4 e 这也与文献上的报道相一致 硎 4 4 小结 通过对半胱胺分子在金表面吸附行为的电化学的研究 得到了溶液酸碱性对 半胱胺分子在金表面稳定性影响的一些初步结果 在碱性溶液中 自组装单分子 膜出现多从的还原脱附峰 分别是不同晶面上的脱附行为 而在酸性溶液中 自 组装单分子膜发生了不可逆的氧化脱附过程 在较正的电位范围内其呈现出较好 的稳定性 同时 半胱胺分子的s e r s 谱图也给出了一些分子微观构型变化的信 息 通过溶液酸碱性对半胱胺分子稳定性及其微观结构变化影响的研究 可以为 我们进一步探索半胱胺分子促进生物大分子电予传递过程的适宜条件以及在今 后的电化学生物传感器方面提供一些理论的依据 3 1 物理化学硕士论文 第五章 在金纳米粒子薄膜制各中起藕联作用的半胱胺单层膜的 s e r s 光谱表征 5 1 引言 随着表面增强拉曼光谱分析的深入 新的表面活性载体和具有表面增强效 应的物质不断涌现 除了早期的金属电极外 目前最普遍的s e r s 活性载体为金 属溶胶 金属沉积岛状膜等 为了提高s e r s 的灵敏度 稳定性和重现性 氧化 银溶液 氯化银溶胶等新的活性基质 激光烧蚀 酸蚀 掺银 涂银等活性载体 制备技术也在开发应用中 7 0 7 3 1 伴随着纳米科技的发展 纳米粒子有序组装体系的研究也变得日益活跃 特 别是近年来利用组装的a u a g 纳米粒子二维阵列作为新型s e r s 活性基底的研 究引起了人们的广泛重视 n a t a n 等利用表面硅烷化的方法将a n a g 纳米粒子 固定在玻璃表面上得到t s e r s 活性的基底 7 4 其中的金溶胶由于具有独特的生物相容性 已广泛用于生物标识与蛋白质浓 度的测定研究 由于金纳米颗粒可与d n 壤面形成牢固的表面键 对于d n a 免 疫传感器以及d n a 芯片的制作都有广泛的应用前景 而亲水的纳米金粒子也可 用于生物传感器的改良川 而对于金纳米粒子有序组装体s e r s 效应的透彻了解 将有助于我们开展对上述金纳米粒子应用的相关基础研究 5 2 实验部分 5 2 1 试剂 2 氨基乙硫醇盐酸盐 2 a m i n e t h 锄e t h o i lh y d r o c h l o r i d e 购自a l d r i c h 公司 腺嘌呤 氯金酸和柠檬酸三钠均为化学分析纯 购自国药集团化学试剂有限公司 实验中所用溶液均用去离子水配制 5 2 2 金溶胶的制备 5 2 2 1 配置金溶胶所用器皿及其清洗 物理化学硕士论文 规格为5 0 0 m l 1 0 m l 的容量瓶 回流装置 4 个规格5 0 m l 的烧杯 三颈烧 瓶 规格2 5 m l 移液管 1 0 0 m l 量筒 广口瓶等均用王水浸泡一天 再用超纯水 充分清洗这些玻璃器皿 干燥后备用 5 2 2 2 金溶胶的制备 采用柠檬酸钠还原法制备 将超纯水1 0 0 m l 加热至亚沸 迅速加入l m l 0 1 的氯酸金溶液 再加热至沸腾 然后迅速加入一定量的1 还原剂柠檬酸三钠溶 液 当溶液从灰色转为蓝色再转为紫色最终成为酒红色后 停止加热 自然冷却 到室温 通过控制还原剂的用量 制备了不同粒径的金溶胶备用 把制备好的金 溶胶放在低温下保存 根据文献报道的经验方程 由所测得的金溶胶的紫外可见 吸收光谱中的最大吸收峰的波长 估算出所制各的金溶胶颗粒的粒径大致为 7 n m 3 0 n m 3 0 n m 5 2 3 金电极表面半胱胺单分子层膜的制备及金纳米粒子的组装 金电极的预处理方法同前 将预处理好的金电极依次浸入半胱胺盐酸盐的水 溶液0 5 m m o l l 1 中2 小时 金溶胶中1 2 小时 实现半胱胺单分子层膜的自组装 和金纳米粒子在该单分子膜表面的有序组装 在测定腺嘌呤吸附的s e r s 光谱 时 可将金纳米粒子组装膜电极再浸入到腺嘌呤水溶液中1 2 小时 组装好的电 极即可进行拉曼光谱测定 5 3 结果与讨论 5 3 1 金电极表面金纳米粒子自组膜中半胱胺藕联作用的s e r s 光谱表征 r m ns h i f t e r a 1 f i g 5 1c o m p a r i s o no fr a m a ns p e c t r a a b a r eg o l ds u r f a c e b c y s t e a m i n e m o o l a y e 瞄f o m e d 蚰b a ng o i dm r f a 3 3 i 气5 l 暑芒一 物理化学硕士论文 图5 1 是经预处理的金电极光滑表面以及在其表面修饰了半胱胺单分子膜后 的g a m a n 光谱 从谱图a 中可以看出经电化学预处理的金电极表面是洁净的 无明显的吸附物存在 同时 由于未对该电极进行必要的o r c 粗糙化处理 所 以在其表面修饰半胱胺单分子膜之后 也并未观察到半胱胺的拉曼特征峰出现 图b 所示 r a m a ns h l f t c m 4 f i g 5 2 t h ed i a m e t e r d e p e n d e n ts e r ss p e c t r ao fg o l dn a n o p a r t i c l e s f o r c y s t e a m i n em o n o l a y e rm o d i f i e do ng o l ds u r f a c e p a r t i c l e d i a m e t e r a 1 7 n m 3 0 n m c 1 3 0 n m 图5 2 是粒径分别为1 7 r i m 3 0 n m 和1 3 0 n m 的金溶胶修饰在以半胱胺为藕联 剂的金电极上的s e r s 光谱 可以明显看出 在此作为藕联分子的半胱胺在金纳 米粒子组装以后 其s e r s 光谱得到了显著的增强 显示出金纳米粒子对下层藕 联分子的表面增强拉曼散射效应 相对而言 粒径为3 0 n m 的金纳米粒子自组装 膜似具有较好的s e r s 效果 在这些s e r s 光谱中 可以明显观测到如下的一些半胱胺的特征拉曼振动 峰 1 在2 1 9 c r a d 左右表征半胱胺分子中氨基与金纳米粒子相互作用的特征峰 2 1 5 6 1 e m 1 左右的振动峰表征的是一n h 2 变形振动的特征峰 在固体半胱胺的拉 曼光谱中 其拉曼位移值约为1 5 9 0 e r a 1 且强度较弱 而在此 可以看出该振动 峰发生了明显的红移 a 2 5 c m 1 且得到了十分显著的增强 这是由于作为藕联 j wv 量 co篁 物理化学硕士论文 分子的半胱胺分子中的氨基直接与金纳米粒子相连发生相互作用 见图5 3 使 得其s e r s 强度增强但振动频率下降所致 3 1 0 0 1c i 1 1 的振动峰表征的是藕联 分子中c c 键的伸缩振动 而1 0 2 6 c m 1 则对应于该分子中c n 键的伸缩振动 相对于固体中c n 键1 0 8 0 c m d 的振动频率 在此 该振动峰发生了更为显著的 红移 a 5 5 c m 原因与前相同 4 1 2 7 9 c m 1 的谱峰对应于半胱胺分子中c h 2 的面内扭转振动频率 相对于固体中1 2 9 5 1 3 0 5 c m 1 的频率范围 也发生了明显 的红移 而1 3 7 1 c m 1 对应于c h 2 扭转和面内摇摆振动 a u h g 5 3t h ep i 咖弛o fg o l ds u f f a c 鼯w i t hc y s t e a m i n e8 sl i n k e dm o n o l a y e r 令我们感兴趣的是 在这些s e r s 光谱中 并未明显观测到与藕联分子