基于电沉积技术制备金纳米阵列及其在表面增强拉曼光谱,葡萄糖传感中的应用

摘要

表面增强拉曼散射(Surface-enhancedRamanScattering，SERS)光谱技术现已成为一种主要的光谱技术用来获取吸附分子的相关表面信息，在化学和生物分子的无损，高灵敏检测等方面具有较大的潜力。于此同时贵金属纳米粒子(Ag，Au和Pt)具有很强的局部等离子共振(LSPR)效果，已经引起了人们普遍的关注，在电子，光子，生物传感，以及表面增强拉曼领域有着潜在的应用价值。在这些贵金属中，金纳米具有较强的等离子共振，且其相比与其他贵金属纳米材料具有强的生物兼容性，因此其应用范围可以拓宽至生物领域，如医药释放，生物成像，以及医疗争端等。在固体基底表面固定金属纳米粒子，对于纳米粒子在各领域的应用起着至关重要作用，例如，燃料电池的阳极材料，表面增强拉曼基底，生物传感器领域等。目前的制备方法包括物理方法和化学方法。物理方法主要有:表面印刷技术，表面刻蚀技术，溅射技术以及电沉积等。化学方法包括:表面自组装技术，LBL技术等。其中电化学沉积方法具有极强的普适性，适于工业化制备，具有很强的商业潜力。利用电化学方法沉积的主要策略有:利用模板进行电沉积，运用单脉冲或双脉冲技术，或利用循环伏安法等。利用单脉冲结合循环伏安的方法进行金纳米电沉积的报到还比较少。
　　本论文中详细介绍了有关利用电化学方法制备具有表面增强拉曼活性的金纳米颗粒阵列的方法，实现了利用电化学方法对金的(111)晶面进行初步的控制，并实现了可控的生长，该方法将会在催化，纳米材料晶面控制，以及表面增强拉曼基底制备等领域产生重要影响。量子化学与计算机技术的结合，产生了新的化学学科“计算化学”。计算化学的发展为化学体系的计算提供了条件。密度泛函理论(Densityfunctionaltheory，简称DFT)是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法，现在已经成为了多粒子系统理论基础研究的重要方法。其将多电子问题简化为单电子问题，计算速度相比HF较快，且计算精度较高。能够对化学体系的结构、性质、能量及反应性能进行描述，在量化计算和分子模拟领域得到了广泛使用。其计算成本相对较低，且计算精度能够满足常规的计算需要，因此，DFT也已经越来越多地被应用到表面增强拉曼光谱的研究中。对巯基苯甲酸与对巯基苯胺是目前表面增强拉曼光谱中重要的模型分子，利用DFT对于其进行计算分析对于开展相关的SERS研究有着重要的意义。本文利用密度泛函理论对p-MBA，p-ATP以及p-MBA/Au，p-ATP/Au这两种重要的SERS活性表面探针分子形成的体系进行了拉曼光谱研究。并对其谱峰进行了指认，对其在制备的类Au(111)纳米颗粒修饰的氧化铟锡基底上的吸附状况进行了详细研究。
　　葡萄糖的电催化氧化研究在环境友好型生物燃料电池和血糖检测等领域中有着重要的应用。由于酶电极具有内在稳定性差，制备过程复杂等缺点，因此发展无酶葡萄糖传感器具有较大的意义。已故美国电化学大家ErnestB.Yeager对葡萄糖在单晶金电极上进行了系统的研究，Taniguchi小组也进行了相关的研究工作。本文利用制备的类Au(111)纳米颗粒修饰的氧化铟锡电极对碱性溶液中的葡萄糖进行了电催化研究。对葡萄糖在类Au(111)纳米颗粒上的电催化机理进行了探讨，并对葡萄糖的浓度进行了定量检测，制备的电极具有较好的抗干扰能力和良好的稳定性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 拉曼光谱简介

1．2 表面增强拉曼光谱介绍

1．2．1 表面增强拉曼光谱技术的发展历史

1．2．2 表面增强拉曼光谱技术面临的挑战与机遇

1．2．3 表面增强拉曼光谱机理介绍

1．2．4 表面增强拉曼光谱基底介绍

1．3 无酶葡萄糖传感器的发展现状

1．4 本论文的研究内容与意义

第二章 电沉积技术制备金纳米阵列及其在表面增强拉曼光谱中的应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 所用仪器及实验参数

2．2．2 所用试剂

2．2．3 基于电沉积技术制备金纳米阵列

2．2．4 金纳米阵列表面增强拉曼活性的表征

2．2．5 吸附于基底表面的p-MBA以及p-ATP探针分子的DFT计算

2．3 结果与讨论

2．3．1 金纳米阵列的电化学沉积机理讨论

2．3．2 金纳米阵列的沉积条件的选择与其SEM表征

2．3．3 金纳米阵列的XRD表征

2．3．4 金纳米阵列的电化学表征

2．3．5 金纳米阵列的光学性能研究

2．3．6 金纳米阵列的SERS活性研究

2．3．7 p-MBA探针分子以及p-MBA／Au复合结构的DFT计算及谱峰归属

2．3．8 p-ATP探针分子以及p-ATP／Au复合结构的DFT计算及谱峰归属

2．4 小结

第三章 基于类Au(111)纳米阵列修饰ITO电极的无酶葡萄糖传感器研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 所用仪器及实验参数

3．2．2 所用试剂

3．2．3 类Au(111)纳米阵列修饰ITO电极的电化学制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 类Au(111)纳米阵列修饰ITO电极的电化学行为研究

3．3．2 类Au(111)纳米阵列修饰ITO电极的XRD，SEM和EDX表征讨论

3．3．3 类Au(111)纳米阵列修饰ITO电极上葡萄糖电化学氧化行为的研究

3．3．4 利用伏安法检测葡萄糖

3．3．5 利用计时电流法对检测葡萄糖

3．3．6 电极稳定性及重现性研究

3．4 小结

参考文献

代表性学术成果

致谢

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