二维有序球腔阵列的制备及其电化学和SERS性质研究

摘要

本文以密堆积的单分散聚苯乙烯微球(PS)为模板,采用电化学沉积、无电化学沉积方法制备了二维有序微/纳尺度的非金属(SiO2)及金属(金、银)球腔阵列。通过改变模板PS微球的粒径以及沉积条件可以实现对球腔阵列形貌的控制。我们首先以SiO2球腔阵列为基础构建了H2O2电化学生物传感器;紧接着我们以金、银球腔阵列为基础构建了一类新颖的表面增强拉曼散射(SERS)的增强基底,应用于拉曼光谱化学增强机理的研究、多环芳烃及蛋白质的SERS检测。
　　主要创新研究成果如下:
　　1.利用不同粒径的PS微球,通过自组装方法于气液界面铺设了二维有序密堆积的PS模板,并转移到氧化铟锡导电玻璃(ITO)表面。以覆盖有模板的ITO玻璃为电极,利用电化学方法还原H2O2产生OH-,促进四甲氧基硅烷在电极表面的水解和凝聚,从而形成高度有序的SiO2阵列结构。通过控制电化学还原的条件(如电流,反应时间)实现对SiO2球腔形貌的控制。在预先溅射有金的ITO表面铺设PS模板,采用多电流阶跃法(30mAcm-2,100ms大电流脉冲伴随一系列5mAcm-2,60ms小电流脉冲,每个小电流脉冲间隔时间为1s),得到结构规整的金属(金、银)球腔阵列。同样,我们可以通过控制电化学反应条件(改变小脉冲重复次数)实现对金属球腔阵列形貌的调控,这对于金属球腔阵列在表面增强拉曼(SERS)上的应用至关重要。
　　2.发展了一种基于SiO2球腔的微过氧化物酶修饰电极,应用于生物传感器。该方法以2μm直径的PS微球为模板,利用电化学方法制备了底部和顶部呈开放状态的SiO2微球腔阵列,并在其底部电化学沉积金纳米颗粒,接着在金纳米颗粒上修饰微过氧化物酶(MP-11),作为一类新颖的修饰电极应用为 H2O2生物传感器。电子通过 MP-11,经由金纳米颗粒,最终到达电极表面实现传输;同时由于二氧化硅腔体结构的电阻梯度,二氧化硅腔对发生于其内的电化学反应具有限域效应,因而可以得到较大的电子转移速率。此外,MP-11对还原H2O2具有较高的电催化活性,在检测H2O2时也显示了其良好的分析性能,线性范围从2×10-6-6×10-4M,最低检测限可达6×10-7M。良好的重现性和长期的稳定性使得这类新颖的修饰电极不仅可以用于低浓度过氧化氢的检测,同时还为构建基于其他酶的生物传感器提供了一个平台。
　　3.基于SiO2球腔表面的电荷特性,对SERS的化学增强机理进行了研究。银纳米颗粒预先固定于球腔底部,以对巯基苯胺(PATP)为探针分子,在514nm、633nm、785nm及1064nm激发线下研究了PATP分子和银纳米颗粒间的电荷转移。通过引入电荷转移度的概念,我们可以直接观察到SERS光谱的化学增强而无需刻意地排除电磁增强的影响。我们进一步证明了,金属纳米粒子所处微环境条件的变化可能导致其费米能级的改变,使得激发光能够更好的匹配探针分子和金属费米能级之间的能量差。本文中,二氧化硅表面的负电荷可诱导银纳米粒子表面偶极的形成,使银纳米粒子表面探针分子吸附位点处的电子密度增加,降低了金属的费米能级,有利于电荷从金属转移到PATP分子,从而产生更高的化学增强。
　　4.发展了一类增强效果好,重现性高的SERS基底,用于痕量多环芳烃类物质和蛋白质的检测。以密堆积的PS微球为模板,采用多电流阶跃的方法制备了一系列孔径、球腔深度可控的金、银球腔阵列。通过调节小脉冲的重复次数,可以实现基底的局域表面等离子体吸收峰(LSPR)从可见区域到近红外区域的调控。这使我们可以根据激发线的不同(514nm,633nm,785nm)以及探针分子的不同对SERS基底进行优化,选择合适的SERS基底对小分子多环芳烃及生物大分子蛋白质进行了检测。
　　(1)应用于多环芳烃进行检测。多环芳烃具有很强的疏水性,并且分子中没有特殊的一些基团(诸如巯基、氨基等基团),可以使其牢固的吸附在金属基底的表面,因而使用常规的SERS基底获得直接稳定增强的SERS信号是非常困难的。我们通过自组装的方法在银球腔表面修饰1,10-癸二硫醇,1,10-癸二硫醇在此所起作用有两个:一是利用其与非极性分子的相似相溶性将多环芳烃有效吸附在银球腔基底的表面;二是将银纳米粒子球腔阵列,形成Ag/多环芳烃/银球腔阵列的三明治结构,实现SERS检测。通过SERS信号,可以很容易的分辨出蒽和芘,并对这两种分布最广泛的多环芳烃实现定量检测,蒽和芘的最低检测限分别为8nM和40nM。
　　(2)应用于蛋白检测。蛋白质在生命体中发挥着至关重要的作用,蛋白质的检测对于生物医药研究、疾病诊断、蛋白质组学及系统生物等领域都有着基础性的应用价值。本论文以金、银球腔阵列为基底结合银纳米颗粒染色的方法,实现了FITC标记及TRITC标记的羊抗人IgG对人IgG的免疫识别SERS检测,atto610标记的生物素与亲和素的生物识别SERS检测。作为免疫分析的读出方法,SERS检测显示了其非凡的检测灵敏度;利用该基底还对四种非标记蛋白质(细胞色素C、过氧化氢酶、溶菌酶及亲和素)进行了SERS检测。所得光谱重现性和增强能力都要优于直接沉积到玻璃片表面的银纳米颗粒,达到超灵敏蛋白质检测与分析的目的。这些结果首先可以归结于球腔阵列电磁场与后引入球腔的银纳米粒子的局域场的耦合;其次,球腔的特殊形貌可如同光学透镜可以捕捉散射光,进而聚焦到引入的银纳米颗粒上,获得最大的SERS增强;再次,银纳米颗粒在增强SERS信号的同时猝灭了荧光标记分子的荧光信号,从而降低了方法的检测限。本文所介绍的这种基于SERS的蛋白检测技术在定性和定量检测上均显示了良好的应用前景。

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第一章 绪论

1.1 模板法制备有序纳米材料

1.2 表面增强拉曼光谱

1.3 SERS增强机理

1.4 SERS基底的研究进展

1.5 本论文的研究思路及内容

第二章 SiO2球腔阵列的制备及其电化学性质研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 Ag/SiO2 基底的制备及Raman光谱性质研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 金属球腔阵列的制备及其在多环芳烃检测中的应用

4.1 前言

4.2实验部分

4.3 结果和讨论

4.4 本章小结

第五章 银球腔阵列的制备及其在蛋白检测中的应用

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

博士阶段发表论文

致谢