金纳米粒子有序膜在生物分子的光谱与电化学研究中的应用

第一章 绪论

1.1 拉曼光谱
1928 年，印度物理学家拉曼在利用汞灯研究液体苯时发现，散射光中有两种谱线且频率不同。一种谱线的频率与入射光相同，另一种谱线的频率与入射光频率有一定位移（频率增加或减小）且强度极弱。已知前者是瑞利散射光被称为瑞利效应，后者新发现的光谱被称为拉曼散射光，这种效应就称为拉曼效应[1]。在发现拉曼效应的初期，其在化学研究中发挥了重要的作用，但是仍然存在一些问题，如拉曼散射光的强度较弱，汞灯的激发能量低，曝光时间长等问题使实验受到一定的限制。直到激光技术的出现，拉曼光谱的应用又见到了希望。因为激光的传输功率大，能量集中等优点，可用其作为拉曼光谱的激发光源。之后，随着激光技术的不断进步，也使得拉曼光谱的应用有了更多的选择。拉曼光谱是一种分子光谱，分子振动时极化率发生变化产生拉曼光谱。它通过光子作为探针，可以揭示分子内部的结构信息，且对分子的损伤极小。因此拉曼光谱技术成为研究化学、物理学科中晶体性质、分子结构以及吸附构型等性质的重要手段之一[2-4]。拉曼光谱不仅可以在不同温度条件下进行测定，还可以对不同状态下的分子进行原位测试和定量分析。丰富的分子结构、界面反应和表面过程等方面的信息都可以从拉曼光谱的数据中获得，因此拉曼光谱有很大的应用前景[5]。但是，对于荧光强的物质来说，荧光会干扰拉曼谱图的测定；而激光的照射也会使某些样品发生化学反应而破坏。
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1.2 表面增强拉曼散射（SERS）光谱
1974 年，英国的 Fleischmann 等人在研究水溶液中的吡啶分子吸附在电化学还原的粗糙化的电极表面的拉曼光谱时，发现了不同电位下都有高质量的拉曼谱图。当时认为是因为银电极经过粗糙化处理了，所以表面积增加而使得检测到的吡啶分子增加，才产生了增强的光学现象[6, 7]。后来，Jeanmaire 和 Van Duyne小组[8]对 Fleischmann 小组的实验进行了验证并且进行了理论计算，他们发现了惊人的结果，即吸附在粗糙银电极表面的吡啶分子的拉曼信号强度是吡啶溶液的拉曼信号强度的 106，那么引起信号强度增加的原因就不单单是粗糙银表面吸附的分子数量较多，应该还有拉曼散射效率的提高。再后来，Creighton[9]研究小组将金溶胶和银溶胶与吡啶分子混合后测定拉曼信号，也得到了增强的拉曼信号，于是称这种表面增强效应为表面增强拉曼散射（Surface-enhance Raman Scattering , SERS）。自表面增强拉曼散射效应被发现以来，人们对其机理进行了大量的研究，其中讨论较多的有以下两种[1]：一种是物理增强（即电磁增强）机制，另一种是化学增强（即分子增强）机制。电磁增强模型主要有表面等离子体共振模型、镜像光电场模型、天线共振模型等；化学增强模型主要有电荷转移模型、活位模型等。电磁场机理(EM)是一种物理模型，即通过金属表面的光电场对吸附在其表面上的分子的拉曼信号进行增强。电磁场增强因子主要来自于金属表面上的粗糙程度、颗粒的形状、金属的性质及表面上的分子的吸附取向。
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第二章谷胱甘肽在金纳米粒子有序膜表面吸附的表面增强 Raman 光谱表征与分析

2.1 引言
表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering, SERS)光谱技术作为一种表面技术已经被广泛应用于许多不同领域。SERS 光谱的应用效果在很大程度上取决于基底的性质。通常情况下，理想的 SERS 基底应具备以下几个特点[33,34]，较高的灵敏度，较好的均匀性、稳定性和重现性。近年来，具有良好 SERS效应的贵金属溶胶因其具有制备简单和易于操作的优点，以其作为 SERS 基底已有广泛的应用。但是，在加入分析物之后，溶胶粒子容易产生聚集，从而导致了不稳定性和 SERS 光谱的重现性较差[35-37]。为此，人们尝试将单分散的贵金属纳米粒子按特定空间排布合理构筑金属纳米颗粒聚集体，利用其所具有的良好光学和电学特性，将其应用于 SERS 光谱分析，取得了较好的效果[38, 39]。此外，可以通过适当方法合理控制所合成的纳米粒子的形貌及大小，在此基础上，通过自组装方法将纳米粒子有序组装在不同类型的固体材料表面以制备出所需的纳米粒子有序膜用于 SERS 光谱研究。这一方法可有效提高基底的稳定性和重现性。而且，对于有序膜中粒子与粒子间、粒子与基底间的相互作用所导致的光学和电学效应的研究，为进一步优化纳米粒子有序膜的结构使其更适合于 SERS 光谱应用提供有益信息。
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2.2 实验部分

2.2.1 仪器及实验参数
SERS 光谱量测采用法国 Jobin Yvon 公司的 SuperLamRab II 型激光共焦显微拉曼光谱系统。量测时采用 50 倍长焦距工作物镜。陷波滤光片(Notch Filter)用于滤除瑞利散射；1800g/mm 全息光栅提供 2cm-1 的光谱分辨率；探测器为液氮冷却 1024 ×256 像素的 CCD。实际量测时共轭孔径和狭缝分别设置为 1000μm和 100μm。以氦-氖激光器(633nm)作为激发光源，到达样品表面的激光功率约为 5mW 左右。光谱积分时间为 8 秒，累积次数为 3。超声仪(SK2200H)购自上海科导超声仪器有限公司。场发射扫描电镜（S-4800）购自日本日立公司。电化学分析仪（CHI750B 型）购自上海辰华仪器公司。所有测试均在室温(25°C)条件下进行。
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2.2.2 试剂
3-氨基丙基-三甲氧基硅烷(APTMS)购自 ABCR GmbH 公司，谷胱甘肽、盐酸羟胺购自 Sigma-Aldrich 公司，氯金酸(HAuCl4 4H2O)、氨水购自上海化学试剂有限公司，柠檬酸三钠(Na3C6H5O7 2H2O)、乙醇、异丙醇购自江苏永华精细化学品有限公司，双氧水与硝酸购自江苏强盛化工有限公司，盐酸、丙酮购自苏州市晶协高新电子材料有限公司，亚铁氰化钾(K4Fe(CN)6 3H2O)购自上海三浦化工有限公司。铁氰化钾(K3[Fe(CN)6])购自上海青析化工科技有限公司。硝酸钾(KNO3)购自上海科昌精细化学品公司。
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第三章 金纳米粒子有序膜上腺嘌呤的表面增强拉....18
3.1 引言.....18
3.2 实验部分....19
3.3 结果与讨论.......21
3.4 小结.....26
第四章 金纳米粒子有序膜在儿茶酚胺类物质电化学.......27
4.1 引言.....27
4.2 实验部分....28
4.2.1 仪器及实验参数.........28
4.2.2 试剂........28
4.2.3Au 纳米粒子有序膜电极的制备 .....28
4.2.4 电化学表征..........29
4.3 结果与讨论.......29
4.4 小结.....42

第四章 金纳米粒子有序膜在儿茶酚胺类物质电化学分析中的应用

4.1 引言
儿茶酚胺类物质，包括多巴胺（dopamine，DA），肾上腺素（epinephrine，EP）和去甲肾上腺素（norepinephrine，NE）。它们是一类神经传导物质，对人体内的儿茶酚胺类物质的检测已经成为神经系统科学家最大的兴趣。它们在不同的生物、药理学和物理过程中扮演着重要的角色[61]。它们广泛地分布在哺乳动物的中枢神经系统，负责信息的传递[62]。这些化合物的氧化是非常有趣的，而且这个过程发生在人体内。儿茶酚胺类药物还常用于治疗高血压、支气管哮喘、心脏病等[63]。许多定量技术已经被成功地应用于儿茶酚胺类物质的检测。例如，毛细管电泳和高效液相色谱通常用于分离分析物，而紫外-可见光谱[64]，荧光法[65, 66]，光电二极管排列[67]，伏安法[68-70]和化学发光[71]被应用于检测和定量。其中，电化学传感器是较便宜，容易制备，并且还是有能力检测分析的一种手段。目前，可通过自组装法[72, 73]，逐层法[74]，电化学法[75]和生物模板法[76]，在导电基底上构建 Au 纳米粒子膜，作为电化学传感器。在这些方法之中，自组装法和电化学法制备的 Au 纳米粒子有序膜备受关注。这主要是因为它们具有以下几个优点，，包括容易制备，比较稳定，多功能性和重现性。尤其是我们所使用的 ITO 导电基底，是典型的具有良好的透明度和导电性的氧化物材料。在 ITO 表面制备的有序膜可以控制其理化性质。综上所述，我们利用两种方法制备的 Au 纳米粒子有序膜就可以作为电极对儿茶酚胺类物质进行电化学的定量研究了。

小结

通过对儿茶酚胺类物质在采用化学自组装以及电沉积方法所制备的两种金纳米粒子阵列电极上的电化学行为的对比，我们选择了电沉积 600 圈所制备的金纳米粒子阵列电极作为研究儿茶酚胺类物质电化学行为的工作电极。通过对实验条件的优化，我们选择了 pH 为 7.38 的 PBS 缓冲溶液为支持电解质，选择 50mV的脉冲振幅进行微分脉冲伏安法(DPV)实验研究。在此条件下，首先对 DA、EP与 NE 进行单组份的 DPV 定量分析，获得了良好的线性关系。再结合化学计量学方法，对多巴胺和肾上腺素混合体系的 DPV 同时定量分析进行探索。通过应用 PLS 变换的变量压缩与遗传算法的变量筛选，初步实现了对多巴胺和肾上腺素混合体系不经分离的同时测定，说明化学计量学结合 DPV 方法在解决该混合体系同时定量分析问题上的可行性与有效性，为进一步的研究打下了良好的基础。
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参考文献（略）