CN100476404C - 一种表面增强红外光谱光学装置 - Google Patents

一种表面增强红外光谱光学装置 Download PDF

Info

Publication number
CN100476404C
CN100476404C CN 200710038628 CN200710038628A CN100476404C CN 100476404 C CN100476404 C CN 100476404C CN 200710038628 CN200710038628 CN 200710038628 CN 200710038628 A CN200710038628 A CN 200710038628A CN 100476404 C CN100476404 C CN 100476404C
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode
film
thin film
infrared spectrum
optical device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN 200710038628
Other languages
English (en)
Other versions
CN101029867A (zh
Inventor
蔡文斌
薛晓康
严彦刚
王金意
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fudan University
Original Assignee
Fudan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fudan University filed Critical Fudan University
Priority to CN 200710038628 priority Critical patent/CN100476404C/zh
Publication of CN101029867A publication Critical patent/CN101029867A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100476404C publication Critical patent/CN100476404C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

本发明属于红外光谱技术领域，具体为一种表面增强红外光谱光学装置。该装置由电解池、参比电极、对电极、金属纳米薄膜电极、硅片和硒化锌半圆柱组成，其中，金属纳米薄膜电极镀上硅片上面，硅片的下侧面与半圆柱形硒化锌之间设有水膜层，由石蜡在四周缝隙处将水膜层密封，构成工作电极；金属纳米薄膜上面为电解池，中间有硅橡胶圈密封，金属纳米薄膜由导线铜膜引出；对电极和参比电极置入电解池中，构成电化学光谱测试的电极体系。该装置结构简单，操作方便，可以较长时间稳定使用，能方便地检测1000cm-1以下波段的现场与非现场电化学光谱红外信号。

Description

一种表面增强红外光谱光学装置
技术领域
本发明属于红外光谱技术领域，具体涉及一种表面增强红外光谱光学装置，可应用在电化学现场与非现场表面增强红外光谱的研究与应用中，可将信号区间下限从通常的1000cm-1波数扩展到700cm-1波数处。
背景技术
表面增强红外光谱(SEIRAS)[1]是一种研究电极界面分子结构信息的重要分析工具。配以衰减全反射(ATR)模式的表面增强红外吸收光谱(ATR-SEIRAS)具有表面信号强、表面选律简单，可避免传统外反射红外吸收光谱(IRAS)面临的问题，如表面信号不够强、电场分布不均匀、传质补充滞后、溶液背景的干扰等。近10年来，ATR-SEIRAS技术在不断发展中：一是研究电极体系从Au、Ag电极拓展到Pt族和Fe族等电极；二是制膜方法从昂贵、难重现的传统干法(含蒸镀、溅射、电子束沉积)到简便、重现性好的湿法制备(包括化学镀、电沉积和自组装方法)。
特别是以半圆柱(球)硅为红外窗口，采用化学镀和电镀法在其反射底面上生长纳米金属薄膜电极已较成熟，可替代传统干法以制备膜电极。如Osawa小组等利用化学镀在红外窗口硅上获得了具有SEIRA活性的Au和Pt纳米薄膜电极[2]，以及本小组采用两步湿法(化学镀+电沉积或自组装+化学镀)作为通用策略获得强SEIRA效应的Pt族和Fe族纳米薄膜电极[3，4]和SEIRA效应可调控的Au、Ag纳米薄膜电极[5]。
目前表面增强红外光谱装置中常用的红外窗口是硅、锗和硒化锌柱。硅柱在1000cm-1以下有较强的吸收信号，无法给出相应的红外信号；锗和硒化锌在1000cm-1以下吸收较弱，但是这两种基底表面的金属膜依靠真空干法制备，更为严重的是锗和硒化锌基底在酸性溶液不稳定，容易造成金属膜在使用过程中的脱落，并且其上金属膜的电化学响应往往偏离本体金属电极的特征，不适于现场光谱电化学的研究。Adzic小组[6]提出了组合硒化锌柱体和硅片红外窗口的概念，但未给出有关参数，根据物理光学知识，这种组合必然对界面平整度加工要求很高，实际上在光谱电化学实验中很难实现装置的设计理念。
本发明不同于Adzic小组的实验装置是：根据衰势波穿透原理，在两个不同折射率的硒化锌柱体和硅片红外窗口间引入超薄水层，研制出一种简单易行的用于电化学内反射SEIRAS的装置。
1.M.Osawa，In Handbook of Vibrational Spectroscopy；Chalmers J.M.，Griffiths，P.R.，Eds.；John Wiley&Sons：Chichester，UK，2002；Vol.1，p.785.
2.Y.-X.Chen.；A.Miki.；S.Ye.；M.Osawa.J.Am.Chem.Soc.，125(2003)3680.
3.S.-J.Huo.；X.-K.Xue.；Y.-G.Yan.；Q.-X.Li.；M.Ma.；W.-B.Cai*.；Q.-J.Xu.；M.Osawa.J.Phys.Chem.B 110(2006)4162.
4.Y.-G.Yan.；Q.-X.Li.；S.-J.Huo.；M.Ma.；W.-B.Cai*.；M.Osawa.J.Phys.Chem.B 109(2005)7900.
5.S.-J.Huo.；Q.-X.Li.；Y.-G.Yan.；Y.Chen.；W.-B.Cai*.；Q.-J.Xu.；M.Osawa.J.Phys.Chem.B 109(2005)15985.
6.M.-H.Shao.；P.Liu.；R.-R.Adzic.J.Am.Chem.Soc.，126(2006)7408.
发明内容
本发明的目的在于提出一种新型表面增强红外光谱光学装置，要求该装置简单易行，可以较长时间稳定使用，方便检测1000cm-1以下波段的现场与非现场电化学光谱信号。
本发明提出的表面增强红外光谱光学装置，由电解池、参比电极、对电极、金属纳米薄膜电极、硅片和硒化锌半圆柱组成。其结构如图1所示。其中，金属纳米薄膜电极8镀在硅片9上面，硅片9的下侧面与硒化锌半圆柱10之间设有水膜层5，由石硝4在四周缝隙处将水膜层密封，构成工作电极；金属纳米薄膜8上面为电解池6，中间有硅橡胶圈7密封，金属纳米薄膜8由导线铜膜3引出；对电极1和参比电极2置入电解池6中，构成电化学光谱测试的三电极体系。
本发明中，在硒化锌半圆柱底面和硅片之间加入水薄膜层，控制挤压使其变薄到几微米(一般可为0.1-5微米)，利用“耦合波导”理论使入射红外光衰势波能够透过硅片层，以便检测到吸附物种吸附在金属薄膜电极表面的红外信号。以上硅片上金属膜电极的制备采用化学湿法制备。
“耦合波导”理论：在相距较远的两个平板波导中，两个波导模式的场分布互不重迭，它们在各自的波导中独立传播。但是，当两个平板波导相距很近时，两个波导模式的场分布相互重迭，可通过所谓光学隧道效应发生耦合而相互交换功率。若入射光从上射入下方，当用夹具将上下两光学窗口挤压，两窗口由很薄水介质相互隔开，其折射率较空气高，有利于红外光的穿透，这就构成耦合波导系统。液体薄膜层的厚度越薄，入射红外光透过该层的比例就越大。
事实上，加入水膜层后薄膜电极上吸附物种的红外信号随着入射角的增大而增强，实验结果表明入射角为70°较理想。相比下，不加水层只有在20°入射角时才可以检测到很弱的红外信号，增大入射角，无法检测到吸附物种的红外信号，表明入射红外光在硒化锌底面/空气界面大部分反射，无法有效地透过Si片。水薄膜层的稳定性对检测信号的强弱影响很大，而使用石蜡在界面四周的缝隙处将水膜密封，便可以提高水薄膜的稳定性。
本新型装置的有益效果：可以拓展测量4000cm-1～700cm-1波段之间的现场与非现场电化学光谱红外信号，结构简单稳定，方便易行。
附图说明
下面结合附图和具体实例对本新型表面增强红外光谱研究装置进一步说明。
图1是本新型表面增强红外光谱光学装置结构示意图。
图2是本发明装置一个实例(手动调制电位)光谱图。
图3是图2在不同电极电位时的光谱图。
图4是图3中吸附CO中心波数和积分强度对电位关系图。
图5是本发明装置另一个实例(手动调制电位)光谱图。
图中标号：1：对电极；2：参比电极；3：导线铜膜；4：石蜡；5：水膜层；6：电解池；7：硅橡胶圈；8：金属纳米薄膜电极；9：硅片；10：硒化锌半圆柱。
具体实施方式
本装置具体结构主要由电解池、参比电极、对电极、金属纳米薄膜电极、硅片和硒化锌半圆柱组成。硅片的尺寸为20mm×25mm，厚度为50-200微米；硒化锌半圆柱的直径为20mm，高为25mm。具体的使用步骤如下：①首先在硅片9表面镀上金属纳米薄膜8，接着在金属纳米薄膜的表面覆盖上直径为8-14mm的硅橡胶圈7，并且装入电解池6中，然后在硅片9的另一面加入水层同时用硒化锌半圆柱10挤压水层，最后用石蜡4在界面四周的缝隙处将水膜5密封，这就构成了工作电极。②将参比电极2和对电极1插入到电解池中，这就组成了电化学光谱测试的三电极体系。
图2是Pt电极在含饱和CO的0.1mol/L HClO4溶液中的表面增强红外光谱，样品光谱采于-0.2V(vs.SCE)，参考光谱采于0.8V。其中曲线a是装置中未加入水薄膜层时的表面增强红外光谱，曲线b是在装置中加入了水薄膜层后的光谱。很明显，曲线b中吸附CO的信号(2072cm-1，vCOL；1857cm-1，vCOB)得到了很大的增强，同时还检测到了共吸附水的信号(3656cm-1，vOH；1634cm-1，δHOH)。
图3和图4是Pt表面吸附CO信号随不同电极电位变化的关系图，图4中vCOL中心波数的Stark斜率为31cm-1·V-1，并且vCOL的积分强度随着电位的正移有变弱的趋势，表明电位越正，吸附在Pt电极表面的CO越易发生氧化。
图5是Pt电极在对硝基苯甲酸(PNBA)饱和的0.1mol/L HClO4溶液中的表面增强红外光谱，样品电位采于0.6V，参比电位采于-0.1V。光谱不仅检测到了2000cm-1～1000cm-1之间PNBA的特征谱峰，还检测到了1000cm-1～700cm-1之间866cm-1(δCO2)和835cm-1(δNO2)的特征谱峰。

Claims (2)

1、一种表面增强红外光谱光学装置，其特征在于由电解池、参比电极、对电极、金属纳米薄膜电极、硅片和硒化锌半圆柱组成，其中，金属纳米薄膜电极(8)镀在硅片(9)上面，硅片(9)的下侧面与硒化锌(10)半圆柱之间设有水膜层，由石碏(4)在四周缝隙处将水膜层密封，构成工作电极；金属纳米薄膜(8)上面为电解池(6)，中间有硅橡胶圈(7)密封，金属纳米薄膜(8)由导线铜膜(3)引出；对电极(1)和参比电极(2)置入电解池(6)中，构成电化学光谱测试的电极体系；其中，所述金属纳米薄膜电极为Pt族和Fe族纳米薄膜电极，以及Au、Ag纳米薄膜电极。
2、根据权利要求1所述的表面增强红外光谱光学装置，其特征在于所述水膜层厚度为0.1-5微米。
CN 200710038628 2007-03-29 2007-03-29 一种表面增强红外光谱光学装置 Expired - Fee Related CN100476404C (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 200710038628 CN100476404C (zh) 2007-03-29 2007-03-29 一种表面增强红外光谱光学装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 200710038628 CN100476404C (zh) 2007-03-29 2007-03-29 一种表面增强红外光谱光学装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101029867A CN101029867A (zh) 2007-09-05
CN100476404C true CN100476404C (zh) 2009-04-08

Family

ID=38715329

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 200710038628 Expired - Fee Related CN100476404C (zh) 2007-03-29 2007-03-29 一种表面增强红外光谱光学装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN100476404C (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102621093A (zh) * 2012-03-31 2012-08-01 上海大学 光谱研究金属及合金之缓蚀剂的作用及其择优化表面技术
CN103399000B (zh) * 2013-08-09 2015-06-03 厦门大学 一种适用于拉曼光谱原位表征的光谱电解池
CN113447546B (zh) * 2021-06-28 2022-08-30 中国科学院长春应用化学研究所 一种兼容真空的表面增强红外光谱电化学装置及应用
CN114216876B (zh) * 2021-08-23 2023-08-11 南开大学 一种表面增强红外基底制备及纳米柱阵列偏离角检测方法
CN116952879A (zh) * 2022-04-20 2023-10-27 华为技术有限公司 物质组分检测装置及方法
CN115266857B (zh) * 2022-06-21 2024-05-03 厦门大学 一种电化学原位红外光谱atr电解池装置

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Surface-enhanced infrared absorption spectroscopy usingchemically deposited Pd thin film electrodes. Hiroto Miyake,Eiji Hosono,Masatoshi Osawa,Tatsuhiro Okada.CHEMICAL PHYSICS LETTERS,No.428. 2006
Surface-enhanced infrared absorption spectroscopy usingchemically deposited Pd thin film electrodes. Hiroto Miyake,Eiji Hosono,Masatoshi Osawa,Tatsuhiro Okada.CHEMICAL PHYSICS LETTERS,No.428. 2006 *
铂和钌纳米薄膜电极的全湿法制备及表面增强红处效应. 严彦刚，李巧霞，霍胜娟，孙颖娜，蔡文斌.化学学报，第63卷第6期. 2005
铂和钌纳米薄膜电极的全湿法制备及表面增强红处效应. 严彦刚，李巧霞，霍胜娟，孙颖娜，蔡文斌.化学学报，第63卷第6期. 2005 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN101029867A (zh) 2007-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cong et al. Surface enhanced Raman scattering revealed by interfacial charge-transfer transitions
CN100476404C (zh) 一种表面增强红外光谱光学装置
Lin et al. Synthesis of ultrathin and compact Au@ MnO2 nanoparticles for shell‐isolated nanoparticle‐enhanced Raman spectroscopy (SHINERS)
Rui et al. Electrochemical biosensor for the detection of H2O2 from living cancer cells based on ZnO nanosheets
EP2784488B1 (en) Reaction vessel for raman spectrophotometry, and raman spectrophotometry method using the same
JP2016538563A (ja) 表面増強ラマン分光用基板及びその製造方法
Yang et al. “Hot edges” in an inverse opal structure enable efficient CO 2 electrochemical reduction and sensitive in situ Raman characterization
CN201034936Y (zh) 一种表面增强红外光谱光学装置
Wei et al. Accessing the electrochemical activity of single nanoparticles by eliminating the heterogeneous electrical contacts
Sun et al. Collision and oxidation of single LiCoO2 nanoparticles studied by correlated optical imaging and electrochemical recording
Zhou et al. Improving the molecular ion signal intensity for in situ liquid SIMS analysis
Kim et al. Surface-enhanced Raman scattering on aggregates of platinum nanoparticles with definite size
CN103451610B (zh) 新型仿生表面增强拉曼光谱基底及其制备方法
CN103194752B (zh) 银纳米颗粒修饰的金微米羽簇丛及其制备方法和用途
CN104949957A (zh) 嵌入式纳米点阵列表面增强拉曼活性基底及其制备方法
CN110018148A (zh) 一种表面增强拉曼试纸的制备方法
CN102944545A (zh) 层状三维结构纳米金表面增强拉曼活性基底及其制备方法
CN112114015B (zh) 一种污染物界面反应电化学红外光谱联用原位表征方法及其装置
Lin et al. Plasmonic core–shell nanoparticle enhanced spectroscopies for surface analysis
CN103852502A (zh) 一种适用于针尖增强拉曼光谱技术的电解池及检测方法
CN103668140B (zh) 一种微纳米枝状银超亲水薄膜的制备方法及表面增强拉曼衬底应用
CN109738502A (zh) 一种Fe2O3薄膜电极的制备方法及其在光电化学葡萄糖传感器的应用
Veder et al. A flow cell for transient voltammetry and in situ grazing incidence X-ray diffraction characterization of electrocrystallized cadmium (II) tetracyanoquinodimethane
CN108845004A (zh) 一种光电流二氧化碳传感器
CN108761599A (zh) 一种刻有金属纳米光栅的电化学工作电极及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090408

Termination date: 20120329