CN102654477B - 用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纳米光谱分析和电化学分析技术，是用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池，它含有都为透明结构件的石英玻璃板、圆形电极和承载板，在石英玻璃板上含有圆形电极固定池、通道、通道上的流动注射端口和流出端口、参比电极固定端口、对电极固定端口、除氧空间、惰性气体通入端口、气体抽出端口及电极导线连接通道；石英玻璃板与承载板形成夹层，将圆形电极扣合在电极固定池内，石英玻璃板与承载板之间用螺丝密封固定；本发明的光路易于校准，除氧方便，工作电极易于装卸和更换，具有空间分辨和微区分析能力，可作为单个纳米粒子及其与界面溶液分子相互作用在电化学调控下等离子体共振瑞利散射光谱观察与采集的技术。

Description

用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池

技术领域

本发明涉及纳米光谱分析和电化学分析技术领域，具体地说，涉及设计制作一种暗场下单个粒子等离子体散射光谱电化学检测池。

背景技术

在纳米光谱分析和电化学分析技术领域，光谱电化学检测方法是将电化学与光谱学相结合，在记录电化学信号的同时，在电极表面或其附近液层处原位采集能反映各物种及数量变化的光谱信息的仪器分析方法。该方法可在电化学反应过程中原位、实时观测反应物、中间体和产物的分子光学信息以及化学过程物种变化的情况，从而获得电化学反应的动力学和热力学参数，为确定反应机理提供直接证据。因此，光谱电化学检测方法是电化学研究，尤其是电化学反应机理研究的十分有效的分析手段。

等离子体共振瑞利散射光谱(PRRS)是一种新兴的可进行单分子水平检测的纳米光谱分析技术。研究发现，当入射光通过暗场聚光镜头汇集在贵金属纳米粒子上时，入射光与纳米粒子表面自由电子发生等离子共振现象并以Rayleigh散射的形式向周围发散（这时，只要偏离入射光一定角度即可记录到纳米粒子的散射光谱）：白光进入暗场聚光镜后，从四周向中心汇集于修饰在载玻片上的贵金属纳米粒子上，粒子经激发后与入射光发生共振散射现象，其Rayleigh散射光进入目镜后被成像CCD记录，即为纳米粒子的等离子共振散射图像。随后，可切换到采谱模式，散射光经过单色仪后由EMCCD记录，即为可采集单粒子的散射光谱。目前，该分析技术已被用于监测细胞内依赖NADH的代谢过程，实现了在线观察抗癌药物在细胞内部的代谢过程。此外，基于暗场光谱显微镜平台结合电化学在生物膜表面对单个纳米粒子的生长过程进行在线实时的监测，实现了在单个纳米粒子水平上对较小浓度范围内生物分子之间相互作用的定量识别。

目前已有的电化学与光谱学结合的分析方法包括紫外可见、红外、SPR、荧光、EPR等方法，但是，将电化学与等离子体共振散射光谱结合，对单个纳米粒子进行电化学调控，实时原位观察纳米粒子等离子体散射光谱信息及其与周围微小区间内环境分子相互作用的分析检测不仅研究少，而且应用的更少。鉴于将这些技术进行联用具有在微小区间内对分子状态实时可控、粒子的高空间分辨识别传感能力以及对高信噪比的光电信号进行分析检测的功能，有望成为在单分子水平上研究界面自组装过程、生化反应过程、粒子形态变化、分子识别等化学、物理过程的新颖而独特的研究手段。

对各种光谱电化学进行研究的非常核心的问题是：光谱电化学检测池的设计与安装。光谱电化学检测池性能的好坏对各种光谱电化学实验研究非常关键。目前，在暗场下对单个粒子等离子体散射光谱进行电化学检测仍然存在诸多难点，这些难点主要包括：（1）暗场照明镜头与纳米光谱电化学检测池的工作电极距离必须小于5mm， 这限制了纳米光谱检测池的厚度，增加了检测池的设计难度；（2）受物镜镜头工作距离的限制，工作电极表面与载物台表面必须小于1.2mm；（3）为了采集工作电极上单个纳米粒子的散射光谱信号，必须排除杂散光的干扰；（4）为排除工作电极上溶液扩散对电化学技术有效调控溶液及电极表面的影响，需要将工作电极上方的溶液层厚度控制在极薄（小于300μm）的区域内，并且不影响溶液层溶液的流动更新；（5）在极薄的电极反应空间上以及μL级反应溶液中保证溶液中对氧气敏感溶质稳定而对溶液除氧，采用惰性气体充入除氧法不现实。这在很大程度上限制了光谱电化学检测技术在界面过程研究领域的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于解决或部分解决上述的问题，提供一种用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池，可用于在透射式暗场镜头下观察和检测薄层纳米光谱。

为实现以上目的，本发明采取的技术方案如下。

一种用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池，其特征是，含有石英玻璃板、圆形电极和承载板，在所述石英玻璃板中间的下表面设有向内凹进的厚为300μm、直径为14mm的圆形薄层电化学反应池，在所述电化学反应池的两边连接有通道，所述通道的一端设有流动注射端口，在所述流动注射端口至所述电化学反应池之间的通道上设有用于固定参比电极的参比电极固定端口；所述通道的另一端设有流出端口，在所述流出端口至所述电化学反应池之间的通道设有用于固定对电极的对电极固定端口和除氧空间，在所述除氧空间的上端面上设有惰性气体通入端口和气体抽出端口；在所述电化学反应池的下方设有一贯穿至石英玻璃板下表面的圆形电极固定池，在所述圆形电极固定池的上表面设有一垂直于通道的电极连接通道；在所述电极固定池的一侧设有一平行于电极连接通道并贯穿至石英玻璃板边缘的电极连接线通道（在电极连接线通道内可安置电极连接线）；所述石英玻璃板与所述承载板形成夹层，将所述圆形电极扣合在所述圆形电极固定池内，石英玻璃板与承载板之间用螺丝密封固定。

进一步，所述的石英玻璃板为长85mm、宽55mm、厚4mm的长方形透明的板状结构。

进一步，所述的圆形电极为直径20mm、厚度1mm、用于电化学调控与光谱检测的透明工作电极。

进一步，所述的承载板为用四氟乙烯材料做成的、直径大于石英玻璃板长度的圆形板状结构，在其中间有一个贯穿孔道，所述承载板可在显微镜载物台上进行固定。

进一步，所述的通道为横截面边长1mm的正方形结构，设置在石英玻璃板横向中间、距石英板上板面1.5mm的下方，距石英板下板面也为1.5mm。

进一步，所述的流动注射端口设置在石英玻璃板边缘内侧、距边缘5mm玻璃板上，其端口内径为1mm。

进一步，所述的参比电极为由有机塑料材质密封的Ag\AgCl参比电极。

进一步，所述的流出端口长5mm，端口内径为1.4mm，设置在石英玻璃板一侧的边缘。

进一步，所述的对电极为用有机塑料材质密封的铂、银电极。

进一步，所述的除氧空间为长8mm、宽8mm、高8 mm的方体结构。

本发明用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池的积极效果是：

（1）主体由透明结构件组成，构造简单，制作工艺要求不高，一般玻璃加工企业均可完成，有利于暗场纳米光谱电化学检测与分析技术的推广。

（2）装卸简单，方便使用和清洗，各种类型的光透电极可更换使用，且辅助电极、参比电极易于加工且安装容易，人员进行简单培训后即可上机操作。

（3）通过专用的除氧端口连通手动抽气与送气阀门，可实现从密闭的检测池中不断抽气，缓冲管使液体不会进入抽气阀，检测池内形成负压将氧气不断地抽出。

（4）流动注射端口的设置可以实时进行溶液的更新与流动注射分析，溶液可连续更换，使用过程中检测池可原位清洗而不必拆卸，有利于短时间内在相同的实验条件下进行对照试验。

（5）电化学检测池可在暗场透镜照明方式下通过物镜对工作电极上的单个粒子进行观察，高效调节电极及其界面上薄层的溶液，排除溶液扩散、杂散光的影响，可实时采集电极上等离子体散射光谱的变化。

（6）本发明的电化学检测池具有很高的空间、时间分辨率，可对单个纳米粒子的界面反应化学、物理过程进行高时空分辨率、高信噪比的光电检测分析。

附图说明

图1为本发明用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池的结构示意图；

图2为本发明用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池的结构分解图；

图3为透明的长方形石英玻璃板的前视横向剖视图；

图4为透明的长方形石英玻璃板的前视纵向剖视图。

图中的标号分别为：

1、石英玻璃板； 2、圆形电极；3、承载板；4、电化学反应池；5、通道；

6、流动注射端口；7、流出端口；8、参比电极；9、参比电极固定端口；

10、对电极；11、对电极固定端口；12、除氧空间；13、惰性气体通入端口；

14、气体抽出端口；15、圆形电极固定池；16、电极连接通道；17、电极连接线通道。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池的具体实施方式，需要指出的是，本发明的实施不限于以下的实施方式。

参见附图1和2。一种用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池，含有石英玻璃板1、圆形电极2和承载板3。所述石英玻璃板1为长方形透明的板状结构，长85mm，宽55mm，厚4mm；所述圆形电极2为直径为20mm、厚度为1mm的透明工作电极；所述承载板3为用四氟乙烯材料做成的、厚度为2mm、直径为108mm的圆形板状结构，在中间设置一个直径为16mm的贯穿孔道，所述承载板3可在显微镜载物台上进行固定。所述石英玻璃板1、圆形电极2和承载板3都为透明结构件，其构造简单，制作工艺要求不高，一般玻璃加工企业均可生产。

在所述石英玻璃板1中心的下表面设置一个向内凹进300μm、直径为14mm的圆形薄层电化学反应池4，在所述电化学反应池4的两边设置通道5。所述通道5为横截面边长1mm的正方形结构，设置在石英玻璃板1横向的中间（参见附图3）、距石英玻璃板1上板面1.5mm的下方，距石英玻璃板1下板面也为1.5mm，即，所述通道5是设置在石英玻璃板1中间的一个通道。

在所述通道5的右端（按附图的朝向介绍）设置流动注射端口6，所述流动注射端口6设置在石英玻璃板1右侧边缘的内侧、距边缘5mm的玻璃板上，其端口内径为1mm。在所述流动注射端口6至所述电化学反应池4之间的通道5上（流动注射端口7向内15mm处通道5的上方）设置参比电极固定端口9，参比电极固定端口9的直径为1mm，用于固定参比电极8；所述的参比电极8采用由有机塑料，如四氟、pdms材质密封的Ag\AgCl参比电极。

在所述通道5的左端设置流出端口7，所述流出端口7长5mm，端口内径为1.4mm，设置在左侧石英玻璃板1的边缘。在所述流出端口7至电化学反应池4之间的通道5上（距电化学反应池4向外19.5mm处）设置对电极固定端口11，在距对电极固定端口7向外18mm 处设置除氧空间12。所述对电极固定端口11的端口直径为1mm，用于固定对电极10。所述对电极10采用由有机塑料，如四氟、pdms材质密封的铂、银电极。所述的除氧空间12为长8mm、宽8mm、高8 mm的方体结构。在所述除氧空间12的上端面设置惰性气体通入端口13和气体抽出端口14。

在所述电化学反应池4的下方设置一贯穿至石英玻璃板1下表面的圆形电极固定池15，圆形电极固定池15的直径为24mm，厚度为 1mm。在所述圆形电极固定池15的上表面、距电化学反应池4的3mm处设置一垂直于通道5的、深0.5mm、长0.5 mm 的电极连接通道16；在所述电极固定池15的一侧设置一平行于电极连接通道16、深1mm并贯穿至石英玻璃板1边缘的电极连接线通道17（参见附图4），在电极连接线通道17内可安置电极连接线18。

所述石英玻璃板1与所述承载板3形成夹层，将所述圆形电极2扣合在所述圆形电极固定池15内，石英玻璃板1与承载板3之间可用螺丝进行密封固定。

本发明用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池的使用过程为：

利用透射式暗场镜头观察和检测在圆形电极2表面通过化学或物理方式吸附的固定分散的、具有等离子体共振散射性质的纳米粒子（如纳米金、银、铜等）：将圆形电极2固定在由石英玻璃板1与承载板3形成夹层内，将电极连接线18通过电极连接线通道17和电极连接通道16与圆形电极2（电化学工作站）连接，在通道5上的参比电极固定端口9和对电极固定端口11内插入参比电极8和对电极10，构成本发明的电化学检测池。

然后，将电化学检测池放置于暗场显微镜载物台上，连接流动注射端口6、流出端口7以及惰性气体通入端口13和气体抽出端口14，向通道5内注入测试液体，使测试液体充满整个通道5及电化学反应池4；将流动注射端口6和流出端口7通过阀门关闭，将惰性气体通入端口13封闭，通过气体抽出端口14用手动抽气机进行抽气，这样，测试液体被抽入除氧空间12。然后，通过惰性气体通入端口13充入惰性气体，清除密闭空间的负压，将惰性气体通入端口13阀门关闭，再次抽气形成负压。如此反复，直至反应空间的测试液体排除氧气充满惰性气体，圆形电极2表面溶液可通过流动注射方式不断更换和更新。

将暗场透镜与物镜的焦点调节在圆形电极2的界面上，寻找圆形电极2上固定的单个等离子共振散射纳米粒子，通过彩色CCD采集单个纳米粒子的散射图像并通过光谱仪和黑白CCD采集单个纳米粒子的散射谱图。通过电化学技术，如时间电流法、循环伏安法、交流阻抗法等调节电极上的薄层溶液和纳米粒子及其表面氧化还原活性物质的状态，还可以调节圆形电极2表面上修饰的纳米粒子的充放电状态，同时记录圆形电极2上单个粒子的散射图像及光谱的谱图，将电化学信息与散射图像和光谱信息进行关联分析，可对单个粒子及其周围溶液进行电化学调控，观察单个粒子及其与周围微小区间内的分子相互作用后等离子体共振瑞利散射光谱。

利用本发明用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池而可进行的上述联用技术，具有在微小区间内对分子状态实时可控的能力、具有粒子的高空间分辨识别传感的能力以及具有高信噪比的光电信号分析检测功能，可作为在单分子水平上进行界面自组装过程、生化反应过程、粒子形态变化及分子识别等研究的重要手段。

Claims (7)

1.一种用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池，其特征在于，含有石英玻璃板（1）、圆形电极（2）和承载板（3），所述石英玻璃板（1）为长85mm、宽55mm、厚4mm的长方形透明的板状结构；所述圆形电极（2）为直径20mm、厚度1mm的用于电化学调控与光谱检测的透明工作电极；所述承载板（3）为用四氟乙烯材料做成的、直径大于石英玻璃板（1）长度的圆形板状结构；在所述石英玻璃板（1）下表面的中间设有向内凹进300                                                、直径为14mm的圆形薄层电化学反应池（4），在所述电化学反应池（4）的两边各连接一条通道（5），所述通道（5）为横截面边长1mm的正方形结构，设置在石英玻璃板（1）横向中间；在一边通道（5）的另一端设有流动注射端口（6），在所述流动注射端口（6）至所述电化学反应池（4）之间的通道（5）上设有用于固定参比电极（8）的参比电极固定端口（9）；在另一边通道（5）的另一端设有流出端口（7），在所述流出端口（7）至所述电化学反应池（4）之间的通道（5）上设有用于固定对电极（10）的对电极固定端口（11）和除氧空间（12），所述除氧空间（12）为长8mm、宽8mm、高8mm的方体结构；在所述除氧空间（12）的上端面上设有惰性气体通入端口（13）和气体抽出端口（14）；在所述电化学反应池（4）的下方设有一贯穿至石英玻璃板下表面的圆形电极固定池（15），在所述圆形电极固定池（15）的上表面设有一垂直于通道（5）的电极连接通道（16）；在所述圆形电极固定池（15）的一侧设有一平行于电极连接通道（16）并贯穿至石英玻璃板（1）边缘的电极连接线通道（17）；所述石英玻璃板（1）与所述承载板（3）形成夹层，将所述圆形电极（2）扣合在所述圆形电极固定池（15）内，石英玻璃板（1）与承载板（3）之间用螺丝密封固定。

2.根据权利要求1所述的用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池，其特征在于，在所述承载板（3）的中间有一个贯穿孔道，所述承载板（3）能在显微镜载物台上进行固定。

3.根据权利要求1所述的用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池，其特征在于，横截面边长1mm的正方形结构的通道（5）距石英玻璃板（1）上表面1.5mm，距石英玻璃板（1）下表面也为1.5mm。

4.根据权利要求1所述的用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池，其特征在于，所述流动注射端口（6）设置在石英玻璃板（1）边缘内侧、距边缘5mm的石英玻璃板（1）上，其端口内径为1mm。

5.根据权利要求1所述的用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池，其特征在于，所述参比电极（8）为由有机塑料材质密封的Ag\AgCl参比电极。

6.根据权利要求1所述的用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池，其特征在于，所述流出端口（7）长5mm，端口内径为1.4mm，设置在石英玻璃板（1）一侧的边缘。

7.根据权利要求1所述的用于等离子体观察的暗场纳米光谱电化学检测池，其特征在于，所述对电极（10）为用有机塑料材质密封的铂、银电极。