扫描电化学显微镜与表面等离子体共振光谱联用技术的开发与应用

论文摘要

表面等离子体激元共振（SPR）光谱是一种表面分析方法，拥有快速、灵敏、免标记等优点，可实时在线地跟踪固液界面反应。近年来，SPR技术已经成功应用到电化学领域。电化学SRP（EC-SPR）技术，不仅可以同时表征基底物质的光学和电学性质，而且还可以检测因基底物质发生氧化还原反应而产生的吸附层厚度变化。但是，在传统的EC-SPR方法中，加载在基底电极上的电位对SPR共振角度位移的影响非常大，使其灵敏度降低。因此EC-SPR很难检测诸如因有机分子取向和生物分子构型变化而产生的极小厚度变化。为了解决上述EC-SPR技术的固有缺点，本论文提出了两种提高其灵敏度的途径：1)建立新型联用技术，通过避免对SPR基底施加电位从而消除由于充放电引起的SPR角度偏移；2)改善SPR基底性能，放大其SPR响应，从而提高灵敏度。本论文中，我们首次建立了扫描电化学显微镜（SECM）与表面等离子体激元共振的联用技术，利用SECM探针产生的氧化还原物种来诱导SPR基底上物质的氧化还原，从而避免了对基底施加电位而引起的SPR角度偏移。实验中以硝酸铈和巯基己烷二茂铁为模型体系，研究SECM探针通过产生氧化态铈盐，间接氧化诱导SPR基底的巯基己烷二茂铁自组装单分子层的过程，以此确定联用方法的可行性。同时，我们还系统地讨论了SECM-SPR参数，包括探针-基底间距离、探针电位等对联用技术得影响。将这种方法应用于细胞色素c氧化还原产生的构象变化研究，我们得到了最接近于晶体衍射的实验结果，再次证实了SECM-SPR联用技术能够有效避免外加电场对SPR信号的干扰，从而得到更加准确可靠的结果。Ag膜具有最高的SPR灵敏度，但由于其电化学稳定性较差，因此较少应用于EC-SPR研究。本论文中，我们首次制备了金／银双层膜结构，利用Ag的高SPR响应和Au的高电化学稳定性来实现EC-SPR的灵敏检测。实验以沉积／溶出金属铜作为标准体系，系统地讨论了双层膜金银厚度的比率、双层膜上层金膜表面状态等因素对EC-SPR响应的影响，证实了金／银双层膜相比与传统金膜能有效提高EC-SPR响应。将双层膜用于细胞色素c氧化还原体系研究，发现其最大SPR响应是金膜的2.7倍。双层膜的应用对于将SPR技术用于电极反应灵敏检测的研究具有重大意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 表面等离子体激元共振光谱（SPRS）
• 1.1.1 SPRS的发展概况
• 1.1.2 SPR的基本原理
• 1.1.3 电化学SPR技术（EC-SPR）的研究概述
• 1.2 扫描电化学显微镜（SECM）
• 1.2.1 SECM的工作原理
• 1.2.2 SECM的研究现状
• 1.3 论文工作的背景与意义
• 第二章 SECM-SPR联用技术的建立及影响因素的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 2.3 实验过程
• 2.3.1 金膜的制备
• 2.3.2 SPR基底的制备
• 2.3.3 仪器校正系数的确定
• 2.3.4 SECM-SPR测量
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 联用仪器的搭建
• 2.4.2 探针逼近
• 2.4.3 标准氧化还原溶液体系的选择
• 2.4.4 SECM-SPR联用技术可行性研究
• 2.4.5 SECM-SPR联用技术动力学研究
• 2.4.6 联用技术的影响因素
• 2.4.7 EC-SPR与SECM-SPR的背景信号比较
• 2.4.8 SECM-SPR联用技术的应用
• 2.5 结论
• 第三章 金银双层膜的EC-SPR应用研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 实验仪器
• 3.3 实验过程
• 3.3.1 双层膜的制备
• 3.3.2 SPR基底的制备
• 3.3.3 EC-SPR测量
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 金银双层膜的SPR放大效应
• 3.4.2 双层膜的SPR响应放大效果的影响因素
• 3.4.3 细胞色素c在双层膜上的EC-SPR检测
• 3.5 结论
• 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果