表面增强光谱分析用金属纳米薄膜的研制和应用

论文摘要

金属纳米薄膜具有特殊的光学性质,使吸附在其表面上的分子的红外吸收得以增强,产生所谓的表面增强红外吸收（SEIRA）效应。基于此效应的表面增强红外吸收光谱（SEIRAS）是一种从分子水平上进行表面和界面分析的重要研究手段。它不仅可应用于周围环境中固-气界面的表面痕量分析,也可应用于电化学现场条件下固-液界面的吸附和反应研究。表面增强红外光谱（SEIRAS）和表面增强拉曼光谱（SERS）是互补的姊妹光谱技术,利用两种光谱技术相结合可以获得更全面、完整的表面信息,银是应用在SEIRAS和SERS分析中最重要的金属之一,如何通过简单的方法快速、经济地在便宜的光学窗口上制备SEIRAS和SERS通用的银基底对于将银基底用于固-气界面的快速分析至关重要。本论文第一部分主要探索合理的化学沉积条件在Si片上构建用于SEIRAS和SERS常规分析用Ag纳米膜。甲醇在Pt电极上的氧化是电催化研究的重要体系,需要若干邻近Pt原子的配合才得以进行,本论文工作的第二部分内容通过在Pt电极修饰强吸附的CN-,限制自由Pt原子数,并利用ATR-SEIRAS来研究该种修饰对Pt电氧化甲醇行为和机理的可能影响。金属纳米颗粒的形状、尺寸决定了薄膜的SEIRA效应。本论文第三部分初步研究了控制合成并组装不同尺寸、形状的金纳米颗粒,为其在SEIRAS进一步应用奠定基础。最后,本文还利用金属纳米粒子表面自组装和晶种生长法构建微流控分析用管道内壁金属层。主要研究结果如下:1.利用一种快捷、经济的方法将银纳米粒子沉积在Si片表面从而构建AgNP/Si（AgNP为Ag nanoparticle的缩写）基底作为表面增强红外光谱（SEIRAS）和表面增强拉曼光谱（SERS）表面痕量分析的模板。此法是将预处理Si片短时间浸泡在硝酸银和氟化氢混合溶液中,沉积Ag到Si表面的一种方法。通过试验不同浓度组合的AgNO3和HF混合溶液确定制备SEIRAS活性基底（AgNP/Si）的合适条件,并用对硝基苯甲酸（PNBA）作为探针分子,估计出表面红外增强因子可达600。同时利用该法所制备的AgNP/Si模板应用于SERS探针分予铁原卟啉,获得了高质量的SERS图谱,同时利用优化条件下制备的基底,采用对巯基苯甲酸（PMBA）为探针分子进行SEIRAS和SERS检测,进一步表明该模板是既适用于SEIRAS又适用于SERS分析的基底。本方法有望拓展到其他金属如Au和Cu基底的制备。2.通过利用CN-修饰类单晶Pt纳米薄膜电极,利用CN-限制某些反应位,并利用现场ATR-SEllLAS技术研究甲醇在CN-修饰的具有Pt（111）优先取向的薄膜电极上电氧化过程。实验结果表明,甲醇在Pt上电氧化中间产物和Pt上的反应位分布有关。CN-的修饰极大抑制了甲醇的电氧化,但是并未改变所谓的双路径机理,即经由CO的间接路径和经由甲酸根的直接路径,间接路径的存在。3.对棒状金纳米粒子的合成以及组装进行了初探。利用NaBH4还原HAuCl4得到小尺寸Au纳米粒子作为种子,在含CTAB溶液中种子生长棒状纳米粒子,其纵横比可通过改变种子与氯金酸的比例来调节。通过自组装剂（有机硅烷）或者静电吸引方法可将金纳米棒组装到红外窗口（Si）上,AFM测量表明它们在表面上保留了棒状而不发生聚集。4.应用金属纳米粒子表面自组装和晶种生长法在毛细管道内壁生长导电性良好的金膜,金属层均匀连续、厚度可调,适合各种内径毛细管内壁金属化的快速、低成本湿法制备。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 表面增强红外光谱诞生、机理简介
• 1.1.1 表面增强红外光谱（SEIRAS）的特点
• 1.1.2 表面增强红外吸收的增强机理
• 1.2 SEIRAS基底的制备方法
• 1.2.1 SEIRAS样品的制备
• 1.2.2 表面增强红外吸收活性基底的制备
• 1.3 SERS简介及其与SEIRAS的分工合作
• 1.4 表面增强红外吸收光谱的应用
• 1.4.1 催化领域上的应用
• 1.4.2 分析化学中的应用
• 1.4.3 生物化学中的应用
• 1.4.4 表面修饰上的应用
• 1.5 本论文研究目的和工作内容
• 参考文献
• 第二章 实验技术及试剂
• 2.1 实验主要试剂及实验仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 红外窗片
• 2.1.3 玻璃器皿
• 2.1.4 实验仪器
• 2.2 实验过程和方法
• 2.2.1 制备具有表面增强红外效应的纳米金属薄膜
• 2.2.2 物理性质的测试与表征
• 2.2.3 电化学测试方法及电化学原位表面增强红外光谱实验技术
• 参考文献
• 第三章 SEIRAS和SERS分析用银膜的快速制备研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 AgNP/Si基底的制备
• 3.2.2 PNBA作为探针分子的SEIRAS光谱检测
• 3.2.3 Hemin作为探针分子的SERS光谱检测
• 3.2.4 PMBA作为探针分子的SEIRAS和SERS光谱检测
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 AgNP/Si基底制备条件的优化
• 3.3.2 AgNP/Si基底的表面增强红外光谱
• 3.3.3 AgNP/Si基底的表面增强拉曼光谱
• 3.3.4 AgNP/Si形貌表征与分析
• 3.3.5 优化条件下得到的AgNP/Si上的表面增强光谱测试
• 本部分小结
• 参考文献
• -修饰的Pt纳米薄膜电极上电氧化的ATR-SEIRAS研究'>第四章 甲醇在CN^-修饰的Pt纳米薄膜电极上电氧化的ATR-SEIRAS研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 甲醇在氰根修饰的Pt纳米薄膜电极上的电化学测量
• 4.3.2 电化学ATR-SRIRAS研究甲醇在氰根修饰的Pt电极上的氧化
• 本部分小结
• 参考文献
• 第五章 棒状金纳米粒子的合成和有序组装的初探
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 制备种子溶液
• 5.2.2 生长溶液的制备和种子生长
• 5.2.3 金纳米棒原液的离心和再分散
• 5.2.4 金纳米棒在红外窗口上的组装
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 金纳米棒的UV-vis测试
• 5.3.2 金纳米棒的SEM形貌表征
• 5.3.3 金纳米棒组装到Si片上的AFM表征图
• 本部分小结
• 参考文献
• 第六章 毛细管内壁注流法金属沉积技术
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 金溶胶的制备
• 6.2.2 在毛细管内壁化学沉积金
• 6.3 结果与讨论
• 本部分小结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表与交流论文
• 致谢