CN102636474A

CN102636474A - 电化学现场sers光谱原位池用工作电极及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN102636474A
Application number: CN2012100719970A
Authority: CN
Inventors: 曹晓卫; 李欣然; 邓卫琴
Original assignee: Shanghai Normal University
Current assignee: Shanghai Normal University; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2012-08-15

Abstract

本发明公开了一种电化学现场SERS光谱原位池用工作电极，一种该工作电极的制备方法和使用该工作电极的原位池，所述电极包括ITO玻璃基底，所述基底经硅烷化处理并有序组装有纳米级Au或Ag粒子。本发明突破了传统的电化学现场SERS光谱原位研究中仅使用金、银棒状金属电极作为工作电极的局限性，有效解决了长期困扰人们的SERS光谱重现性与稳定性的难题；另外，本发明具有加工材料购置方便、易于加工、使用操作方便以及适用对象范围广、SERS光谱信号强度、稳定性与重现性良好的优点，可以有效缩减工作电极的前预处理时间以及摆脱繁琐重复性的实验工作，大大提高了研究工作的效率以及工作成果的准确性与可靠性。

Description

电化学现场SERS光谱原位池用工作电极及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于光谱仪器检测领域，具体涉及一种电化学现场SERS光谱原位池用工作电极及其制备方法和应用。

背景技术

电化学现场表面增强拉曼光谱(SERS)技术一般是通过安置于Raman光谱仪中的专门设计与制作的光谱电化学原位池，在工作电极表面实施电化学过程的同时，借助于激光探针与电极表面吸附物种间所产生的表面增强Raman散射效应表征电极表面吸附物种的种类及其结构随着电位等电化学参数的变化情况。它已成为材料科学、表面科学与生物科学等研究领域中一种十分重要的表征与分析技术。这一技术的核心在于将电化学测试体系的组成要素与光谱测试所需条件有机地集成在一起，即要求科学合理地设计光谱电化学原位池，以满足在进行电化学过程的同时有效地采集SERS光谱信号的要求。而要保证SERS光谱信号采集的效率，依据SERS光谱的原理，对于工作电极的表面有着特殊的要求，即要求其能达到纳米尺度的粗糙化效果。这通常是通过对工作电极进行预先处理来实现，具体包括各种电化学、化学以及物理等方法，其效果不尽相同。

迄今，就Raman光谱测试系统本身而言，其发展日臻成熟与完善，将其应用于电化学现场的SERS光谱研究，实质是利用SERS基底表面吸附物质分子对入射光所产生的频率位移的这一光散射现象，将单色入射激发光引至经电极电位调制的SERS基底表面(即工作电极表面)，测定SERS光谱信号后分析其与电极电位或电流强度等电化学参数间所存在的变化关系。这一技术凭借Raman光谱原理本身以及SERS效应较好地解决了作为溶剂的水的干扰，而且在一定程度上也抑制了荧光的干扰，使其较红外光谱技术能更加有效地应用于电化学过程研究。

电化学现场SERS光谱技术的主要测量装置包括拉曼光谱仪、电化学工作站与电化学原位拉曼光谱池这三个部分。前两部分都有现成的功能齐全的商品化仪器可以配套，而原位拉曼光谱池则多是由各实验室依据各自研究的需要自行设计加工而成，但总体结构均能满足电化学三电极体系与SERS光谱测量的要求，其中的工作电极则通常使用纯度较高的金，银，铜等金属材料制备而成。

传统的电化学原位拉曼光谱池装置，其结构可以参阅上海师范大学钱庆庆的《自组装单层膜结构与表面性质及天青蛋白在单层膜表面吸附的SERS光谱研究》及张玲的《天青蛋白在自组装单分子膜上的电化学现场SERS光谱研究》。此结构适合于金，银材质等棒状金属电极作为工作电极的电化学原位拉曼光谱量测。装置本身结构经过不断的优化设计虽然已能够满足电化学现场的表面增强拉曼光谱信号采集，但是也存在着工作电极预处理步骤繁琐、花费时间长等不足。而且，更为关键的是由于不能够保证每一次工作电极的预处理效果完全一致，使用原有的装置所采集的SERS光谱信号其稳定性与重现性很差，这一难题长期困扰着人们，尤其对于将SERS光谱应用于定量化学分析的人员，更是一项亟待解决的难题。

采用传统金属电极的原位池其SERS光谱信号稳定性与重现性差的原因主要在于：金，银等棒状金属电极作为工作电极用于SERS光谱(含电化学现场SERS光谱)表征时，所使用的金属电极材料的种类及其纯度不尽相同、用于激发SERS活性的电极粗糙化预处理方法多种多样、操作者的熟练程度及其处理细节也不完全一致。基于以上因素的影响，实际所使用的电极其表面粗糙化程度及其SERS活性的空间分布存在着很大的差异，由此造成所采集的SERS光谱其重现性及稳定性很差。这就大大限制了传统的电化学原位拉曼光谱池在对光谱信号稳定性与重现性有较高要求的定量分析领域的应用。

随着SERS光谱技术日益发展成熟与普及应用，人们对于SERS光谱技术的定量分析应用有着愈来愈迫切的需求。为此，研制SERS光谱信号具有良好稳定性与重现性的电化学现场SERS光谱采集装置以适应SERS光谱定量分析技术的发展与应用是十分必要的。

发明内容

针对上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种电化学现场SERS光谱原位池用工作电极，一种该工作电极的制备方法和一种应用该工作电极的原位池，在有效保证SERS光谱信号采集的前提下，解决了应用传统电化学现场SERS光谱原位池进行SERS光谱采集时信号稳定性与重现性差的问题。

本发明采用的技术方案如下：

电化学现场SERS光谱原位池用工作电极，包括铟锡氧化物(ITO)玻璃基底，所述基底经硅烷化处理并有序组装有纳米级Au或Ag粒子。

所述纳米级Au或Ag粒子其粒径约为50～70nm。

所述工作电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将ITO玻璃片先后放置于丙酮、异丙醇与超纯水中分别超声清洗15～25min，然后用含有双氧水和氨水的混合溶液沸腾处理25～35min；

(2)将清洗好的ITO玻璃片置于0.15～0.25mol·L^-1的APTMS(3-氨丙基三甲氧基硅氧烷)、3-MPTMS(3-巯丙基三甲氧基硅烷)或APTES(3-氨丙基三乙氧基硅烷)的水溶液中浸泡1～24h，清洗，吹干，然后在100～110℃恒温处理25～35min；

(3)在室温下，将经步骤(2)处理后的ITO玻璃片直接浸入0.40～0.50×10^-10mol/L的粒径为50～70nm金溶胶或银溶胶中6～12h。

步骤(1)混合溶液中双氧水的浓度为2.5wt％～7.5wt％，氨水的浓度为1.5wt％～5wt％。

在此过程中，借助于静电作用或化学成键作用金或银纳米粒子将自发地组装到硅烷化的ITO基底表面。其中，若ITO基底硅烷化后表面为氨基基团，则可以通过适当调控介质的酸碱性来实现表面荷负电的金纳米粒子在荷正电的氨基质子化的硅烷化ITO基底表面的有序组装；若ITO基底硅烷化后表面为巯基基团，则可以通过巯基与金或银纳米粒子间的化学成键作用而实现其有序组装。

本发明还提供另外一种仅组装Au粒子的电极，其前两步与上述步骤(1)、(2)相同，后续步骤为：

在室温下，将经步骤(2)处理后的ITO玻璃片浸入0.40～0.50×10^-10mol/L的粒径为30～50nm金溶胶中6～12h；在金属纳米粒子有序组装之后，再采用电化学沉积方法来进一步调节原有粒径为30～50nm的金纳米粒子的粒径，即把组装有粒径为30～50nm金纳米粒子的ITO玻璃片浸入到含有HAuCl₄(浓度为0.5～1.5mmol/L)与NaClO₄(0.05～0.15mol/L)的水溶液中，在-0.038～-0.045V(vs.SCE)的电位下进行电沉积5～9分钟。

其中的NaClO₄也可以相同浓度的KCl或KNO₃或Na₂SO₄来代替。

表面组装有50～70nm金溶胶或银溶胶粒子的ITO玻璃片则可以直接用作工作电极而无须再行上述的电沉积处理。

本发明还提供一种使用该工作电极的电化学现场SERS光谱原位池，包括池体、石英窗片、池盖。

所述池体正上方内部为工作腔，从上到下依次为石英窗片放置与固定层、气氛层和液槽，三层结构呈阶梯状；

所述石英窗片放置与固定层设有内螺纹，所述池盖设有与之相配合的外螺纹，池盖旋入后将所述石英窗片固定在石英窗片放置与固定层内，起到分隔原位池内的溶液与聚焦物镜，同时密封气体氛围的作用；

考虑到对于生物活性物质需要通过通入氮气以保持惰性气体氛围避免环境中的氧等对工作电极上所研究的生物分子的影响，在原位池体上石英窗片以下设置可循环通入气体的通气孔，即在气氛层设置气体引入管和气体导出管；

所述液槽的侧壁上开有对电极接入孔且设有参比电极接入管，对电极通过对电极接入孔接入液槽内；所述参比电极接入管的尖口一端紧靠工作电极表面，参比电极则插入充有KCl溶液的接入管中；

所述池体背面开有联通液槽的用于放置工作电极的孔，孔周围设有环状凹槽，所述凹槽内嵌入一用于固定工作电极的密封环。

所述凹槽周围可设置数个用于固定的螺孔，实际使用时，可以根据光谱仪器量测平台的形状与尺寸加工一个固定垫板，在其上加工与上述螺孔相应的固定螺孔用于池体在垫板上的固定，然后再通过固定垫板上其它一些预设螺孔将其固定于光谱仪器量测平台上，以保证光谱信号采集过程的稳定性与可靠性。

由于纳米粒子的形貌与大小、在硅烷化的ITO表面的组装密度与均匀性等因素是决定SERS信号稳定性与重现性的关键，而这些因素可以方便地进行人工调控，因此，本发明避免了传统方法在制备表面具有纳米尺度粗糙化金属电极进行SERS光谱量测时，由于其表面粗糙化程度的空间差异性，即表面粗糙化程度的不均匀性所导致的SERS增强因子的不可控与不确定性。

通过上述技术方案，本发明突破了传统的电化学现场SERS光谱原位研究中使用金、银棒状金属电极作为工作电极的局限性，有效解决了长期困扰人们的SERS光谱重现性与稳定性的难题；另外，本发明具有加工材料购置方便、易于加工、使用操作方便以及适用对象范围广、SERS光谱信号强度、稳定性与重现性良好的优点，可以有效缩减工作电极的前预处理时间以及摆脱繁琐重复性的实验工作，大大提高了研究工作的效率以及工作成果的准确性与可靠性。

附图说明

图1为本发明电化学现场SERS光谱原位池的池体结构示意图。

图2为本发明电化学现场SERS光谱原位池的池体背面结构示意图。

图3为本发明电化学现场SERS光谱原位池的池盖结构示意图。

图4为与本发明电化学现场SERS光谱原位池配套使用的垫板的结构示意图。

图5与图6为本发明的电化学现场表面增强拉曼光谱原位池装置应用实例所对应的电化学现场SERS光谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1：

(1)将电阻值为100Ω的ITO玻璃片先后放置于丙酮、异丙醇与超纯水中分别超声清洗20min，然后用体积比为5∶0.5∶0.5的去离子水、双氧水(30wt％)、氨水(25wt％)的混合溶液沸腾处理30min；

(2)将清洗好的ITO玻璃片置于0.18mol·L^-1的APTMS的水溶液中浸泡12h，取出后用超纯水清洗，氮气吹干，然后在100℃恒温处理30min；

(3)在室温下，将硅烷化处理后的ITO玻璃片浸入0.45×10^-7mmol/L的粒径为30～50nm金溶胶中6h，通过硅烷化表面质子化氨基与金属纳米粒子间的静电作用使金属纳米粒子有序地组装在硅烷化的ITO玻璃片表面；

(4)把ITO玻璃片浸入到1mmol/L HAuCl₄和0.1mol/L NaClO₄组成的混合溶液中，使用CHI750电化学工作站运用计时电流法在-0.04V(vs.SCE)的电位下进行电沉积5分钟。

实施例2：

(1)将电阻值为100Ω的ITO玻璃片先后放置于丙酮、异丙醇与超纯水中分别超声清洗25min，然后用体积比为5∶1∶1的去离子水、双氧水(30wt％)、氨水(25wt％)的混合溶液沸腾处理35min；

(2)将清洗好的ITO玻璃片置于0.20mol·L^-1的3-MPTMS的水溶液中浸泡24h，取出后用超纯水清洗，氮气吹干，然后在105℃恒温处理35min；

(3)在室温下，将硅烷化处理后的ITO玻璃片浸入0.45×10^-7mmol/L的粒径为50～70nm金溶胶中10h，通过硅烷化表面的巯基与金属纳米粒子间的化学成键作用使金属纳米粒子有序地组装在硅烷化的ITO玻璃片表面。

实施例3：

(1)将电阻值为100Ω的ITO玻璃片先后放置于丙酮、异丙醇与超纯水中分别超声清洗15min，然后用体积比为5∶2∶2的去离子水、双氧水(30wt％)、氨水(25wt％)的混合溶液沸腾处理25min；

(2)将清洗好的ITO玻璃片置于0.25mol·L^-1的3-MPTMS的水溶液中浸泡1h，取出后用超纯水清洗，氮气吹干，然后在110℃恒温处理25min；

(3)在室温下，将硅烷化处理后的ITO玻璃片浸入0.50×10^-7mmol/L的粒径为50～70nm银溶胶中12h，通过硅烷化表面质子化氨基与金属纳米粒子间的静电作用使金属纳米粒子有序地组装在硅烷化的ITO玻璃片表面。

上述实施例中的金或银溶胶分别采用Frens等人以及Lee等人所提出的柠檬酸盐还原方法进行制备。

为配合本发明所制得的工作电极的应用，本发明还提供一种电化学现场SERS光谱原位池，包括池体、石英窗片、池盖。

如图1，图2及图3所示，池体100正上方内部为工作腔，从上到下依次为石英窗片放置与固定层130、气氛层120和液槽110，三层结构呈阶梯状，池体采用耐酸碱腐蚀的聚四氟乙烯材料制备而成；

石英窗片放置与固定层顾名思义为用于石英窗片的放置与固定，石英窗片放置与固定层设有内螺纹131，池盖200设有与之相配合的外螺纹201，将石英窗片放置在石英窗片放置与固定层与气氛层之间的台阶上，然后将由聚四氟乙烯加工而成的池盖200旋入从而将石英窗片固定，起到分隔原位池内的溶液与聚焦物镜，同时密封气体氛围的作用；

气氛层120设置不锈钢制成的气体引入管121和气体导出管122；

液槽110位于工作腔最下层，用于盛放电解质溶液，其侧壁上开有对电极接入孔111且设有参比电极接入管112，对电极通过对电极接入孔接入液槽内；参比电极接入管的尖口一端紧靠工作电极表面，参比电极则插入充有KCl溶液的接入管中；

池体背面开有联通液槽的孔140，孔内用于放置工作电极，孔140周围设有环状凹槽，凹槽内嵌入一用于固定工作电极的密封环141。

凹槽周围设置3个用于固定的螺孔150，并根据光谱仪器量测平台的形状与尺寸加工一个固定垫板300，固定垫板上300加工有与螺孔150相应的固定螺孔310和将其固定于光谱仪器量测平台上的螺孔320和螺孔330。

实施例1所制备的工作电极应用于天青蛋白在电化学还原方法制备的Au纳米粒子有序膜修饰的ITO电极表面的电化学现场SERRS光谱表征：

将实施例1所制得的工作电极浸入到12μmol/L的1ml天青蛋白溶液中10h～12h(温度保持在5℃)。修饰完毕后用超纯水清洗干净，氮气吹干，装入本发明的原位池装置中，进行拉曼光谱表征。向原位池装置中加入磷酸盐缓冲溶液以NaCl作为支持电解质，在液槽中形成厚度约为1mm的液层，光谱积分时间为8s，累计次数为3，进行电化学原位拉曼光谱采集，外加电位范围90mV-50mV。

所有的电位均相对于饱和甘汞电极，测试在低温下避光进行。

测试结果见图5。在SERRS光谱图所显示的特征峰中，261cm^-1处归属为蛋白与基底金属结合峰，442cm^-1处归属为δ(OOC)/δ(CCC)，719cm^-1归属为天青蛋白分子活性中心的特征峰，1215cm^-1处归属为υ(C-N)/amideIII特征峰等。同样，SERRS光谱表明天青蛋白分子吸附于电极表面，且保持了其生物活性。而且，特征峰强度随着电位的变化呈现出明显的变化规律，表明电位对其吸附作用存在着一定的影响。特征峰的归属与Czernuszewicz等人所报道的工作一致。

实施例2所制备的工作电极应用于天青蛋白在化学还原方法制备的Au纳米粒子有序膜修饰的ITO电极表面的电化学现场SERRS光谱表征：

将实施例2所制备的工作电极浸入到1mL5℃的12μmol/L的天青蛋白溶液中保持10h～12h，修饰完毕后用超纯水清洗干净，氮气吹干，装入本发明的原位池中，进行拉曼光谱表征。向池体中加入磷酸盐缓冲溶液以NaCl作为支持电解质，在池底液槽部形成厚度约为1.5mm的液层，光谱的积分时间为8s，累计次数为3，进行电化学原位的SERRS光谱采集，外加电位范围从50mV-10mV(vs.SCE)。

所有的电位均相对于饱和甘汞电极，测试在室温(25℃)条件下进行。

测试结果见图6。SERRS光谱图所显示的特征峰，如251cm^-1处归属为蛋白与基底金属间的结合峰，907cm^-1归属为天青蛋白分子活性中心的特征峰，1177cm^-1处归属为υ(C-N)/amideIII特征峰等，表明天青蛋白分子吸附于电极表面，且保持了其生物活性。而且，随着电位的变化，特征峰强度呈现出明显的变化规律，表明电位对其吸附作用存在着一定的影响。特征峰的归属与Czernuszewicz等人的报道一致。

上述实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims

1.电化学现场SERS光谱原位池用工作电极，其特征在于，包括ITO玻璃基底，所述基底经硅烷化处理并有序组装有纳米级Au或Ag粒子。

2.根据权利要求1所述的工作电极，其特征在于，所述纳米级Au或Ag粒子为粒径为50～70nm。

3.根据权利要求1或2所述的工作电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)将经步骤(1)处理的ITO玻璃片置于0.15～0.25mol·L^-1的APTMS、3-MPTMS或APTES的水溶液中浸泡1～24h，清洗，吹干，然后在100～110℃恒温处理25～35min；

(3)将经步骤(2)处理后的ITO玻璃片浸入0.40～0.50×10^-10mol/L的粒径为50～70nm金溶胶或银溶胶中6～12h。

4.根据权利要求1或2所述的工作电极的制备方法，其特征在于，纳米级粒子仅为Au粒子，包括以下步骤：

(3)将经步骤(2)处理后的ITO玻璃片浸入0.40～0.50×10^-10mol/L的粒径为30～50nm金溶胶中6～12h；

(4)在步骤(3)完成后把表面组装有30～50nm金溶胶粒子的ITO玻璃片浸入到含有HAuCl₄与NaClO₄的水溶液中，在-0.038～-0.045V(vs.SCE)的电位下进行电沉积5～9分钟，其中，HAuCl₄的浓度为0.5～1.5mmol/L，NaClO₄的浓度为0.05～0.15mol/L。

5.根据权利要求3或4所述的工作电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)混合溶液中双氧水的浓度为2.5wt％～7.5wt％，氨水的浓度为1.5wt％～5wt％。

6.根据权利要求4所述的工作电极的制备方法，其特征在于，步骤(4)中的NaClO₄以相同浓度的KCl或KNO₃或Na₂SO₄来代替。

7.电化学现场SERS光谱原位池，包括池体、石英窗片和池盖，其特征在于，采用如权利要求1所述的工作电极。

8.根据权利要求7所述的原位池，其特征在于，所述池体正上方内部为工作腔，从上到下依次为石英窗片放置与固定层、气氛层和液槽，三层结构呈阶梯状；所述石英窗片放置与固定层设有内螺纹，所述池盖设有与之相配合的外螺纹，池盖旋入后将所述石英窗片固定在石英窗片放置与固定层内；所述气氛层设置气体引入管和气体导出管；所述液槽的侧壁上开有对电极接入孔且设有参比电极接入管；所述池体背面开有联通液槽的用于放置工作电极的孔，孔周围设有环状凹槽，所述凹槽内嵌入一用于固定工作电极的密封环。