物理化学学 ̄fE(Wuli Huaxue Xuebao1 1600 Acta尸 .一Chim.Sin.2011,2 7(7),l 600-1 608 July [Article] 、Ⅳ1 r、Ⅳ.whxb.pku.edu.cn 金纳米粒子组装体系中偶联单分子层膜结构的SERS光谱表征与分析 曹晓卫 刘文华 李欣然 王荣 吴霞琴 (上海师范大学化学系,上海200234) 摘要:通过分子自组装方法制备4,4 -二硫联吡啶(PySSPy)单分子膜修饰的金电极.利用所形成的对巯基吡 啶自组装单分子膜(SAMs)作为偶联层进行金纳米粒子有序膜的组装.对该纳米粒子组装体系进行Raman光 谱测定,得到了具有良好信噪比的对巯基吡啶单分子膜的表面增强拉曼散射(SERS)光谱.在此基础上,进一步 采用电化学现场SERS光谱技术研究了该纳米粒子组装体系的SERS光谱随电位变化的规律.在该体系稳定 的电位范围内表征对巯基吡啶单分子膜的特征谱峰1011与1093 cm~、1575与1610 cm 以及1206与1215 cm。 这三对谱峰其强度随着所施加电位的改变呈现出明显的规律性.分析表明,偶联单分子层中吡啶环芳香性 随着所施加电位的改变而有规律地变化是SERS光谱特征改变的内在原因. 关键词: 金纳米粒子: 纳米粒子有序膜:4,4 -二硫联吡啶: 自组装单分子膜:表面增强拉曼散射光谱 电极电位 中图分类号:O641:0657.3 SERS SpeCtroSCopic Characterization and Analysis of the Molecular Structure of Linkage Monolayers in Assembled Gold Nanoparticle Films CAO Xiao—Wei LIU Wen—Hua LI Xin—Ran WANG Rong WU Xia-Qin (Department ofChemistry,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,P R.China) Abstract: Molecular assembly was used to prepare a 4,4 -dithiodipy ridine(PySSPy)self-assembled monolayers(SAMs)modified gold electrode.The prepared PySSPy SAMS modiifed on gold electrode were then used as linkage monolayers to fabricate gold nanopa ̄icle assembled f¨ms.In our research.SUr『ace— enhanced Raman scattering(SERS)technique was used to Investigate the structuraI characte ristics of the linkage monolayers.Moreover,electrochemical in situ SERS spectroscopy was used to characterize the effect of electrode potential on the molecular structure of this linkage monolayer.An analysis of the regular variations in intensities and shifts of the characteristic Raman peak pairs related to the adsorbed molecules in this linkage monolayer,such as at 1O11 and 1093 cm~,1575 and 1610 cm~,1206 and 1215 cm~,revealed that the aromaticity of the pyridyl ring groups in the linkage monolayer changed with the applied electrode potentiaI.The results show that the adsorbed molecule exists mainly in the form of a thioI tautomer in the negative potential range while it exists mainly jn the form of a thione tautomer in the positive potentiaI range. Key Words:Gold nanoparticle;Nanoparticle film 4,4 -DithiOdipy ridjne;Self-assembled monolayer; Surface-enhanced Raman scattering; Electrode potential 引 言 当前,无论对于界面的基础研究还是实际应用, ,自组装单分子膜(SAMs)技术无疑都具有重要的地 位和作用.SAMs所具有的较高稳定性以及易于重 ,Received:November 242010;Revised:April 22,2011;Published onWeb:May 27Corresponding author.2011. Email:xwcao@shnu.edu cn;Tel:+86.21.64322930. The project was supposed by the National Natural Science Foundation ofChina(2077504920973 1 14) .国家自然科学基金(20775049,20973 1 14)资助项目 ⑥Editorial ofifce ofActa Physico.Chimica Sinica No.7 曹晓1J等:金纳米粒子组装体系中偶联单分子层膜结构的SERS光谱表征与分析 1601 复制备等特性,都特别有利于固.液界面的相关研究 和实际应用. 近年来,单分子膜用于功能化单元固 定的构想和做法已被扩展和延伸到在单分子膜修饰 的固体表面进行金纳米粒子的有序组装中. 金属纳米粒子具有良好的导电性能、催化性能 以及吸附性能,利用金属纳米粒子大的比表面积和 生物相容性来同定生物分子已被广泛地应用于生物 电化学分析领域.而形成有序的金属纳米粒子阵列 中,尤其是当以吡啶环作为SAMs的末端功能化基 团时,所构筑的此类SAMs有机表面常常可以用于 蛋白质的固定.“已有的研究工作主要集中于以4.巯 基吡啶(4一MPy)为组装分子所形成的SAMs的结构、 表面性质及其应用研究, ,” 而非以此SAMs为偶 联层所形成的Au NPs有序膜体系.而且,这些研究 多局限于以银片或银溶胶作为SERS基底,均未涉 及电极电位对金电极表面4一MPy SAMs影响的表 是制备纳米装置的关键步骤.金纳米粒子(Au NPs) 是最为稳定也是目前应用得最为广泛的一种金属纳 米颗粒,具有良好的生物相容性. 在实际应用巾.可 以通过将纳米技术、白组装技术和生物技术的有机 结合,在金电极表面组装双功能单分子层,在这之上 再有序组装纳米金胶,而后再将蛋白或酶吸附固定 在其表面.如此固定的蛋白或酶具有较高活性. 而从此类体系的组装机制来看,通过Au NPs与 SAMs表面特定基团问的共价键合或静电相互作 用,可以制备出二维规整的金纳米粒子有序膜.这为 我们从纳米尺度的金属溶胶制备高度有序、规整和 均匀的宏观金属表面提供了一条切实有效的途径. 更为重要的是,如此制备的金纳米粒子有序膜表现 出良好的表面增强拉曼散射fsERs)活性, 这为我们 研究组装体系的微观结构和探索对其结构进行人T 提供了便利.已有研究报道,将Au NPs有序膜 作为SERS活性基底用于对纳米粒子有序膜表面吸 附分子的分析研究. 而且,就稳定性和重现性而言, 如此制备的金纳米粒子有序膜作为SERS活性基底 优于对应的金溶胶悬浮液, 作为一种具有很高灵敏 度的光谱测试手段,SERS光谱不仅可以探测吸附 在活性基质表面的单分子层和亚单分子层的分子, 同时又可以给出表面分子的结构信息,因此它已被 广泛应用于生物分子的界面取向及构型、构象以及 单分子层膜表面性质的研究. 有关将金纳米粒子组装到表面为巯基或氨基的 SAMs上制备纳米粒子有序膜的研究1二作已有较多 报道.但在多数情况下,人们的兴趣往往主要集中于 制备这种结构之后对其相关性质的研究上,而对于 影响此类结构的形成因素研究较少.符小艺等 采 用原子力显微镜(AFM)和SERS等手段考察了pH值 对金纳米粒子在Au/巯基苯胺SAMs表面上组装效 果的影响.此外,相对于烷基硫醇的SAMs而言,有 关分子结构中含有芳香环和杂环的硫醇衍生物 SAMs的研究也还比较少.”实际上,在后一类体系 征与分析.类似于4.巯基吡啶,4,4 一二硫联吡啶 (PySSPy)也是一类用作电极表面SAMs修饰目的 的芳香族巯基衍生物,可以作为氧化还原蛋白和金 属酶的电子传递反应有效促进剂,在化学修饰电极 领域应用广泛. 张蓓等”将4,4 l|硫联吡啶自组 装单分子膜(PySSPy SAMs)用于钴卟啉的轴向配位 来制备有序的钻卟啉自组装修饰电极用于电催化 研究.在本文所研究的Au NPs组装体系中偶联层 是由PySSPy作为组装分子所形成的SAMs,而与 PySSPy SAMs相关的SERS研究报道则很少. Nogueira等 采用SERS光谱研究了2,2 (:硫联吡 啶与4,4 一二硫联吡啶在银溶胶粒子表面的吸附模 式,其研究表明这两种分子借助于硫原子而吸附于 银溶胶粒子表面,且芳香环相对于基底表面处于倾 斜取向. 在本文所报道的工作中,我们以PySSPy SAMs 作为Au NPs在金电极表面进行有序组装的偶联层, 得到了具有高信噪比的4.巯基吡啶单分子层的 SERS光谱.在此基础上,借助于Au NPs有序膜所具 有的SERS活性,采用电化学现场SERS光谱技术研 究了电位对该单分子膜结构的影响机制. 2实验部分 2.1实验材料 4,4 .二硫联吡啶购白Sigma公司,柠檬酸三钠 购自上海凌峰化学试剂有限公司,HAuC1 与柠檬酸 均购自上海化学试剂有限公司,氢氧化钠购自上海 精析化T科技有限公司,NaCIO 购自北京化学试剂 公司.所有试剂均为分析纯,采用超纯水(电阻率为 1 8.2 Mg)・cm)配制所有的溶液. 2.2金溶胶的制备 本文采用柠檬酸盐还原法制备Au NPs. 所制 备的金溶胶其紫外一可见吸收光谱巾的最大吸收峰 在520.2nlTl处,根据经验公式计算出AuNPs的粒径 约为13 nm.此外,透射电子显微镜的表征也显示 1602 Acta Phys.一Chim.Sin.2011 VO1.27 Au NPs的平均粒径约为13 nm.所制备的金溶胶其 pH值约为5.5.将制备好的金溶胶置于4。C下避光 保存可稳定使用3个月. 2.3修饰电极的制备与电化学测试 循环伏安(Cv1测试和电化学现场SERS光谱 测试中均采用高纯度的金电极(99.99%).在金电极 表面的预处理过程中,依次采用不同粒径的高纯氧 化铝抛光处理,Piranha溶液浸洗以彻底除去电极 表面存在的有机污物.之后再用去离子水充分淋洗 和超声清洗后备用.预处理后的金电极先浸入到1 mmol・L 的PySSPy溶液中浸泡约24 h以制备 PySSPy SAMs修饰的Au电极.取出用超纯水冲洗 后,再浸入到粒径为13 nm的金溶胶中浸泡约12 h 以制取Au NPs有序白组装膜(Au NPs ̄ySSPy SAMs/Au).取出充分淋洗后备用.而对于仅进行单 分子膜修饰后直接用于SERS光谱测试的金电极, 在电极表面经上述的预处理后,还需要在0.1 mol・ L 的KC1溶液中进行表面粗糙化预处理. 。 电化学循环伏安测试采用辰华仪器公司的 CHI604电化学工作站进行.实验中采用三电极系 统,即以上述制得的表面修饰金电极为_T作电极,铂 电极为对电极,参比电极采用饱和甘汞电极.电解质 溶液为0.1 mol・L~NaC10 溶液.测试之前向溶液中 通氮气约10 min,以除去溶解氧.在整个测试过程中 保持氮气气氛. 2.4拉曼光谱仪和电化学现场的SERS光谱测试 拉曼光谱测试采用法国Dilor公司的Super LabRam II型共焦显微激光拉曼光谱仪.实际测试时 采用50倍长距离物镜聚焦采样,1800 line・mm‘。光 栅分光.采用液氮冷却型1024×800像素CCD检测 器进行信号的收集与检测.光栅前置狭缝为100 gm,针孔光阑孔径为1000 gm.以633 nm He—Ne激 光器为激发光源,在室温(25。C)条件下采谱,光谱积 分时间为10 S,累积次数为3.到达电极表面的激光 功率约为5 mW. 在电化学现场的SERS光谱测试过程中,将恒 电位仪与拉曼光谱仪联用进行原位SERS光谱测 试.SERS光谱测试在自制的以聚四氟乙烯为材料 的光谱电化学原位池中进行.实验过程中采用环状 铂丝电极作为对电极,参比电极为饱和甘汞电极,修 饰金电极作为工作电极.实验过程中所使用的电解 质溶液为0.1 mol・L 的NaC10 溶液. 3结果与讨论 3_1 金纳米粒子有序组装体系中4,4 .二硫联吡啶 单分子膜的SERS光谱表征 迄今为止,已有许多有关含有不饱和键或芳香 性基团的分子吸附的SERS光谱研究的报道,例如 在苯和烷基苯吸附于金表面的SERS光谱研究中观 NNv(c=C)发生了明显红移,原因在于此类体系与 基底问本质上存在具有高度7/"键特征的相互作用. 在有关烯烃和炔烃在金基底上的化学吸附过程的 SERS研究中也发现有类似的规律. 然而,对于芳 香族的有机硫醇类吸附物来说,硫原子与基底表面 的金或银原子之间的相互作用一般被认为是基于盯 成键作用:而且对这些吸附物种而言,所观测的拉 曼位移随电位的变化要小于上述存在 相互作用的 体系. ‘ 。对于本文所研究的体系而言,从后续的分 析也可以看出这一规律. 文献报道PySSPy在金上的吸附方式是以先发 生s—s键的断裂,然后通过S原子以PyS的形式在 金表面吸附,”即以4.巯基毗啶f4.MPy)SAMs的形 式吸附.为了与4一MPy分子在金基底上直接吸附所 得到的4.MPy SAMs相区别,在此仍将由PySSPy 分子吸附在金基底上所得到的单分子层膜称为 PySSPy SAMs.SERS光谱的研究表明,吸附分子相 对于电极表面以吡啶环趋向于直立取向吸附. 实际 上,考虑到吸附分子中不等性杂化硫原子其成键结 构特征,吡啶环相对于基底表面存在着一定的倾斜 角而非垂直直立.因此 以下讨论中所涉及的吸附分 二㈦ 辛当3 当 /)H ~ 图1 4一巯基吡啶自组装单分子J] ̄(SAMs)在金表面的 离子化行为和共振结构 Fig.1 Ionization behavior and resonant molecular structures of 4-mercapt0pyridines self-assembled monolayers(SAMs)on gold deprotonated 4-mercaptopyridine adsorbate with thiol(a)and thione (b)forms;protonated 4-mercaptopyridine adsorbate with thiol rc1 and thione fd1 forms NO.7 曹晓 等:金纳米粒子组装体系中偶联单分子层膜结构的SERS光谱表征与分析 l603 子“直立(取向)吸附”模式均是指相对于基底表面存 在一定倾斜角的相对直立.进 步的研究表明,4.巯 基毗啶分子在金表面吸附的可能结构如图1所示, 亦即存在四种由于共振效应和溶液pH值的变化而 导致的互变异构体. , 这其中,由于结构稳定性存 在较大的差异,使酸性条件下金表面的4-MPy分子 主要是以图中硫醇式结构(C)吸附;而在碱性条件 下,则主要以硫酮式结构(b)而吸附. 图2给出了Au NPs组装体系与PySSPy SAMs 修饰金电极的SERS光谱对比. 时,给出了同体 PySSPy的拉曼光谱(图3)以便于比较与分析.表1列 出了部分PySSPy与4-MPy的Raman谱和SERS谱 峰及其归属.23-27如图2(b)所示,在PySSPy SAMs修 饰金电极体系的SERS光谱中,在423、715、1007、 1060、l097、12l3、1575和1613 cm。。等处出现的谱峰 至∞c∞l ul 0^llB1 Raman shift,ca 0 图2激发波长为632.8 nm时两类体系结构与表面增强拉 曼散射(SERS)光谱对比 Fig.2 Comparison with the structures and the surface. enhanced Raman scattering(SERS)spectra with an excitation wavelength of 632.8 am 均是表征4 MPy分子的特征SERS谱峰. 同时,在 541 cm。。处未观测到在固体PySSPy拉曼光谱f见图 3)中出现的S—S键的伸缩振动峰,这意味着PyS. (a)gold nanoparticle ordered films assembled on PySSPy SAMs modiifed gold electrodes,(b)PySSPy SAMs modiifed gold electrodes SPy分子在金表面吸附时发生了S—S键的断裂.由 表1 4,4 一二硫联吡啶与4-巯基吡啶的拉曼光谱与SERS光谱谱带(cm一’)及其归属 Table 1 Raman shifts and SERS frequencies(cm )for 4,4'-dithiodipyridine(PySSPy)and 4-mercaptopyridine(4一MPy) and their c0rresp0nding assignments PySSPy Raman 219 Assignment Raman 4MPy SERS Assignment C—S SERS 223 y(c—S1 313 263 340 4l5 473 6(cos) 6(ccs) 430 475 v(c s)/6(ccc) r(CCCC)/ CCCS) 428 423 7at C—s)/y(ccc1 16b-y(ccc) 6b 6(ccc) 437 470 496 54l CCCC) CSSC) 539 663 499 v(S—S1 6(ccc)  ̄(ccc)/v(C-S) CCCC) ccCS) 7(CH) y(CH) 7(CH) 645 661 696 723 813 713 721 7l5 815 6a c ̄(CC)/v(C—S) 10b,y(CH) 789 845 96I 993 863 lOl3 1063 CCC1 989 1043 1007 1 Kring breathing) 18a 6(CH) 18b2 5(CH) 1066 1076 (CCC)/ (CH)/v(C—S) (CcC)/ (CH)/v(C—S) (CCC)/ (CH) (C—S) 11O2 l106 l060 1097 1091 l1l3 1216 l234 1321 1 2n,v(ring breathing)/v(C 6(CH)/fi(NH) 6(CH) 研CH 】200 1249 1223 12】3 v(C=C)/v(C:N、 5(CH) 9a-6(CH) l410 1394 1457 14b!v(CC) 19b v(C=C)/v(C=N1 19a v(C=C)/v(C=N) 8bz v(CC) 8a—v(CC) 1450 1475 1478 】546 1575 1585 v(c—C)/v(C--N) v(CC) 1604 1 575 16l3 16l3 Abbreviations: ,stretching; ,deformation or in-plane bending;y,out—of-plane bending; torsion;Data and assignments obtained from Refs 23—27 l604 Acta P S.一Chim.Sin.2011 VO1.27 此表明PySSPy分子的确是以4.MPy分子的形式吸 附在金基底表面的.如图2中的(a)所示,在所测定的 金纳米粒子有序膜自组装体系的SERS光谱中,也 观测到了上述的全部特征峰,且SERS光谱的信噪 比更好.在谱峰的相对强度以及信噪比等方面两者 2(a)所示的AuNPs组装体系的SERS光谱中,由于有 相当大的一部分4.MPy分子其末端N原子与Au NPs间存在键合作用,1613 cm 处表征N原子存在 键合作用的吡啶环8a。v(cc)的SERS谱峰其相对强 度较大.相比较而言,在如图2(b)所示的PySSPy SAMs修饰金电极的SERS光谱中,由于大部分 存在着明显差异,这主要是由于两个体系中的分子 存在形式以及体系结构不同所致. 从化学成键结构的角度来分析,在AuNPs组装 4一MPy分子其末端N原子未发生键合作用,1575 cm 处表征N原子未键合的吡啶环8b:v(CC)的 体系中作为偶联分子存在的4-MPy以两端键合形 式存在,即一端通过硫原子键合而吸附于金电极表 面,而另一端则通过吡啶氮原子与Au NPs相键合: 体系中未起偶联作用的4-MPy分子则以硫原子一 端键合于金电极表面的单端键合形式存在.对于 PySSPy SAMs修饰金电极,PySSPy SAMs的表观 pKa值约为5.3,“ 而SERS光谱是在NaC10 中性溶液 中测量的,可以认为这一体系中吸附分子大多以单端 键合形式存在.这些成键结构特征在SERS光谱上的 反映有助于我们了解纳米粒子组装体系的结构特征. 两个体系中吸附分子的不同存在形式表现在 SERS光谱上最为显著的特征是1575与1613 cm 谱峰相对强度有明显差异.而类似的现象在以4,4 一 联二吡啶为偶联分子的Au NPs组装体系的SERS 光谱中也有表现. 参照文献 的分析,我们认为在 此所研究的AuNPs组装体系中也存在着吡啶N原 子的成键效应对偶联分子电子结构的影响机制,即 除了体系中所存在的静电作用对吡啶环电荷密度 分布有影响之外,吡啶N原子的质子化或与Au原子 的键合作用将借助于共轭效应对吡啶环的电子结 构产生影响.这些作用进而影响到相关振动模式的 Raman位移及其相对强度,表现为相关SERS谱峰 相对强度随着N原子键合程度改变而变化.在如图 图3激发波长为633.8 am时固体PySSPy的Raman光谱 Fig・3 Raman spectrum of solid PySSPy with an excitation wavelength of 632.8 am SERS谱峰其相对强度较大,而1613 cm 谱峰相对 强度则较弱. 基于SERS光谱滴定技术测定的金基底表面 4.MPy SAMs的表面pK.值约为(5.3+0.3),”而本文 实验中所制备的溶胶呈弱酸性(pH值小约5.5),由此 推测金纳米组装体系中4.MPy分子以图1所示的相 对更为稳定的(b)和(c)两种结构形式同时存在.考虑 到金溶胶其表面荷负电,以及在此实验条件下以这 两种结构形式为特征的单分子膜其表面呈正电性, 这些因素都有利于Au纳米粒子在其表面的有序组 装.而如图2(a)所示,由于1007和1097 cm 分别表 征的是硫醇式和硫酮式的4.MPy吸附态分子的环 呼吸伸缩振动,这两种结构形式在所研究的SAMs 中的确同时存在.而对4-MPy SAMs表面pK.值的 SERS滴定法测定也正是基于考察这两个谱峰相对 强度比随pH值的变化来实现的.”这两个谱峰相对 强度的差异也反映了在此条件下组装体系中硫酮式 结构(b)应更占优势. 从图2所反映出的SERS光谱特征对分子吸附 取向的具体分析如下:(a)相对于固体PySSPy和文 献中报道的4.巯基吡啶(PySH)水溶液的Raman光 谱, SERS光谱中715 cm一(6a。6(cc)/v(C—S1)与 1097 cm 处归属为呼吸振动模式v(ring breathing)与 v(C—s)振动模式相耦合的取代基敏感(x—sensitive) 谱峰显著增强.根据SERS的电磁增强机理,SERS 光谱中相对于电极表面90。角取向的振动模式通常 能得以显著增强. 在如图2(a,b)所示的两个体系 的SERS光谱中,与图3所示固体的Raman光谱相比 较,这些谱峰的强度明显增强,说明吡啶环趋向于直 立吸附.(b)类似地,若吡啶环处于直立吸附构型, 1213 cm 处归属于吡啶环上C—H键面内变形振 动的谱峰,以及1575和l613 cm 处归属于吡啶环 v(CC)的谱峰均为直立取向的面内振动模式,也应有 显著增强.从图2与图3的对比也可以明确看出这一 点.(C)另一方面,在固体的Raman光谱中可以观测 No.7 曹晓 等:会纳米粒子组装体系中偶联 分子层膜结构的SERS光谱表祉与分析 1605 到的一些振动方向相对于电极表面“非90。角取向” 溶液中能够稳定存在,而仅在H SO 或含有S0j (HSO ̄)的酸性溶液中可观测到由于电位诱导所引 起的PySSPy SAMs相变而产生的峰电流.“此外,对 于Au(111)表面4一MPy SAMs的电化学研究也揭示 的面内环变形振动对应的谱峰,在所讨论的两个体 系SERS光谱中强度明显减弱甚至消失.如661和 696 ClTI 处表征a(ccc)的振动谱峰.(d)此外,假若 分子在电极表面处于“平躺”取向,此时对应于吡啶 环面外振动模式的~些谱峰其强度应明显增强, 但在SERS光谱中其强度较弱或未观测到.如固体 Rarnan光谱中的473、496和845、813 cm 处表征 (CCCC)/ CCCS)、 (CCCC)/r(CSSC)和y(CH)的振动 谱峰.这也说明在这两个体系中,PySSPy SAMs中 的PyS・均是以吡啶环趋向于直立取向而吸附的. 具有 对称性的4一MPy分子其振动模式可以 分成四类:面内的a.、b2模式与面外的a:、b 模式.在 SERS效应的电磁增强fEM)机理占据主导的条件 下,依据相应的表面选律,利用SERS光谱中对应于 不同类型振动模式的谱峰相对强度的大小关系也可 以对金属电极表面吸附分子的空间取向进行讨论. 而这需要明确激发光波长与体系的表面等离子共振 (SPR)峰位置的相对关系,且能够保证所量测的 SERS光谱具有良好的信噪比.这有待于作者进一 步深入的研究. 3.2电位对4,4 -二硫联吡啶偶联单分子层膜结构 影响的SERS光谱表征 如图4所示,AuNPs组装体系在0.1 mol・L 的 NaC10 溶液中的循环伏安实验表明该体系的稳定 电位范围是一0.5—0.8 V有关Au(111)表面PySSPy SAMs的电化学研究显示,在0-0.6 V(vs SCE)的范 围内电极表面所吸附的SAMs在0.1 mol・L~HC10 Potential/V(vsSCE) 图4金纳米粒子自组装体系在O.1 mol・L~NaCIO 水溶 液中的循环伏安图 Fig.4 Cyclic voltammetry for the gold nanoparticle iflm assembled on PySSPy SAMs modiifed gold electrode in 0.1 mol・L NaClO4 solution scan rate:50 mV・s一 :inset:cyclic voltammetry for bare gold in O.5 mo1.I, H,SO solution 出了大致相同的规律. 基于将PySSPy SAMs修饰电 极用于促进细胞色素C电子传递反应研究的考虑, Taniguchi等 曾采用循环伏安方法对金电极在含有 磷酸盐缓冲组分和NaC10 支持电解质的PySSPy水 溶液中的氧化还原行为进行了表征,结果表明 在一0-3—0_3 V(vs SCE)的范围内未观测到明显的 法拉第电流,而这正是研究细胞色素C可逆氧化还 原反应过程时感兴趣的电位范围.此外,Taniguchi 等 的研究还表明,由PySSPy在金电极表面所形成 的单分子膜,其SERS光谱中对应于吡啶环呼吸振 动模式的谱峰强度随所施加电位而变化的现象应 当只是与吡啶环芳香性程度的改变有关. 为了更细致地了解电位改变对组装体系中偶联 SAMs结构的影响,在其稳定的电位范围之内,作者 采用电化学现场SERS光谱技术就电位对SAMs结 构的影响进行了表征.图5给出了不同电位下体系 的SERS光谱.通过对SERS光谱随电位变化情况的 分析,可以了解体系中吸附分子结构变化的特征,阐 释电位对分子结构的影响机制. f1)图5中101】ClTI 处的谱峰对应于SAMs中 吡啶环呼吸振动模式(1a v(ring breathing)).在有关 4-MPy SAMs的SERS滴定研究中,”观测到了该谱 峰由低pH时的1002 cm 蓝移至高pH时的1009 cm~,这是由于随着pH增大,吡啶环质子化程度降 低而使环上电子密度增大.在此,由于4一MPy分子 Raman shift/cm。。 图5金纳米粒子自组装体系中4-MPy SAMs在不同电位 下的SERS光谱 Fig.5 SERS spectra of 4-mercaptOpyridjne SAMs used as linkage monolayers for gold nanoparticle assembly at different electrode potentials potential/mV(vs SCE):(a)800,(b)400,(c)0,(d)-300,(e)-500 1606 Acta Phys.一Chim.Sin.2011 VO127 .在以硫原子吸附于金电极表面的 时,又通过吡啶 C1TI 谱峰强度随电位的变化似乎没有规律性,但若 以1093与1011 cm 两者的强度比值(,l。。 )对电 位变化值作图(图6),则可以看出明显的规律性.亦 即,随着电位正移这一比值呈现出逐渐增大的趋势. 由于两者分别表征的是具有硫酮式与硫醇式结构特 征的吸附分子的v(ring breathing),由此可以说明在 负电位区问偶联分子中的吡啶环较正电位区间具有 环与表面荷负电的AuNPs结合,使吡啶环电子密度 增大而导致该谱峰有所蓝移.Di6genes等 在研究 4 MPy SAMs与过渡金属配合物相互作用时,也出 现该谱峰蓝移的现象.此外,图5显示随电位负移其 强度有所减弱,但变化不大;而随电位正移其强度 明显减弱,且在约400 mV时出现了谱峰分化而分解 为1004与1018 cm~.至800 mV时这两个谱峰强度 相对更大的芳香性.而且,由于1093 cm 谱峰属于 进一步减弱.由此说明 相对于正电位区间而言,体 系处于负电位区域时吡啶环具有较高的芳香性,吸 附分子更可能趋向于以硫醇形式(a)或(c)(见图1)存 在,且以(c)为其主要存在形式.负电位区域不利于 吸附分子以硫原子一端带负电的硫酮式结构(b)存 在.而谱峰分解可能与吡啶环芳香性随电位改变有 关.实际上,在电位正移至400 mV时,1575与1610 CITI 处谱峰相对强度也有显著改变而趋于一致.对 这两个谱峰的已有认识表明其相对强度大小反映出 特定条件下吡啶环芳香性的相对强弱.更进一步,通 过以下对这些相关特征峰强度随电位变化关系的讨 论(如图6),可以清晰地看出在此电位条件下偶联 SAMs里硫醇式与硫酮式的相对比的确有了较大的 改变.这可能是引起此谱峰分化的原因,但有待于进 一步深入细致的研究. (2)1093 ClYI 处的谱峰被称为“X.sensitive”类 型, 表示芳环与取代基振动模式问存在着强耦合作 用,分子局部结构与化学环境的改变对振动耦合作 用具有调制效应.在此,SERS光谱中1093 cm 谱峰 的巨大增强就是此效应的表现之一.此外,有关 4一MPy在银基底表面吸附、4-MPy SAMs与金属配 合物问相互作用的SERS光谱研究等也揭示出相同 的规律.”。 实质上,这一谱峰表征了具有硫酮式结 构特征的吡啶环呼吸振动模式(12a ,v1与v(C—s)振 动模式问的耦合,其强度有较大一部分来自于v(c— S)的贡献. ”已有的研究表明,在固态下4-MPy分 子以硫酮式为其主要存在形式. 1093 cm 处的这 一谱峰相对于固体拉曼光谱中的1106 cm 有显著 红移,表明硫酮式的吸附分子中C=S的双键特征明 显降低.这说明除了硫酮式之外,分子的吸附方式还 应包括硫醇式.此外,如图5所示,其拉曼位移随电 位几乎不变.根据已有规律分析, 进一步说明 PySSPy分子是通过硫原子与基底问的 成键作用而 吸附的. 在所研究的电位范围内,从图5可以看出,1093 “X.sensitive”模式、同时耦合了v(C—S1的特殊性,可 以看出在0 V以后,尤其是在0.4 v之后,随着硫酮 式结构所占比例的增大,以及与取代基所对应的 C=S的双键特征增强这一结构变化所带来耦合增 强效应,11o93/1 值增大趋势更为显著.图5也显示出 0V是电位变化对SERS光谱影响的一个转折点.此 外,谱峰1575与1011 ClTI 的强度LL(z //,。. )随电位 的变化情况也存在类似的规律性,我们在如下一部 分对其再做专门的讨论. (3)1575和1610 crn 处两个谱峰强度随电位也 存在着显著变化.如表1所示,这两个谱峰分别归属 为8b v(CC)与8a。v(CC).相关研究已揭示出这两个 谱峰的强度比随溶液酸碱性改变呈现出密切相关 的变化规律,且可以借此计算SAMs的表面pK 值, 说明它们实质上分别对应于吡啶环去质子化f或N 未与金属键合)与质子化(或N与金属键合)状态下 的v(CC)模式.”。 更进一步,亦即其强度的大小能 Electrode potential/rnV(VS SCE) 图6金纳米粒子组装体系的SERS光谱中若干特征谱峰 相对强度比值随电位的变化 Fig.6 Relative intensity ratios of the SERS spectra as functions of the applied potentials relative intensity ratios:0 the band 1093 cm to the band 101 1 cm~. ◆the band 1575 cm to the band 101 1 cm :Here the relative intensity ratios were calculated from the electrochemical in situ SERS spectra of gold nanoparticles ordered iflms assembled on PySSPy SAMs modiifed gold electrodes. No.7 曹晓』J等:金纳米粒子组装体系中偶联单分了层膜结构的SERS光谱表征与分析 1607 0 0 S l (c) S C 粕l l (a) 图7不同电位范围内AuNPs有序组装体系的结构示意图 Fig.7 Schematic illustration of the molecular structure changes of the adsorbed 4-MPy molecules in the Au NPs self-assembled films during the potential-controlled process the deprotonated 4-MPy linkage molecule with thiol(a)and thione(b)forms at positive electrode potential range(VS SCE),the protonated 4-MPy linkage molecule with thiol form at negative electrode potential range(c) 够间接反映fJJ在特定条件下吸附分子巾吡啶环芳香 在:而在电位由0 V正移至800 mV的过程中,此峰 的强度明显降低且1215 cm 处归属为fl(CH)的谱峰 出现,整体呈现为一个不对称峰.这说明在正电位区 性的强弱.如图6所示,若考察其中与硫酮式结构fb) 相对应的l575 cm 谱峰与反映硫醇式结构特征的 101l cm 谱峰相对强度之比( /Ii。 .)随电位的变化 情况,也可以看出与前述,_ 数值变化相同的规 律性.而且,也是在0 V以后,尤其是在0.4 V之后, 显示出 /,.。。。数值随电位正移而更为显著地增大. 由此也说明随电位正移该体系中吡啶环的芳香性趋 于降低 吸附分子更多地以硫酮形式存在.这说明电 位的改变在一定程度上可以诱导该体系中偶联分子 域内吸附分子的质子化程度显著降低,分子结构转 变为芳香性相对较低的去质子化共振体((a)一(b)). 这些信息进一步支持了之前所作的分析. (5)此外,在图5中可观测到的谱峰还包括1059 和1465 ClTI.其中,前者对应于l8b 6(CH),由于属 于面内的6 振动模式,因此谱峰有较明显的增强.可 在不同的互变异构体问实现转变.在此,电位诱导产 生的异构体互变与吸附分子因质子化或键合状态改 变所导致的吡啶环电子结构变化在SERS光谱表现 方面具有可比性.电位调制对于金纳米粒子组装体 系中偶联层分子结构的影响示于图7. (41 1206 cm 处出现的实际上是一个包含 (CH) 以看出其强度未随电位改变而发生显著变化.这也 说明了在这一过程[}1,吸附分子相对于电极表面的 取向无明显改变.这可能与组装体系的结构特点有 关,即不同于已有大量研究的4-MPy SAMs修饰电 极 在此对于起偶联作用的4.MPy SAMs而言,因受 制于其同时与金电极和AuNPs所产生的键合作用, 在体系稳定存在的电位范围内,分子吸附取向以及 SAMs结构发生改变的可能性较小.1465 ClTI 谱峰 对应于面内模式的v(C=C)/v(C=N).在所研究的电 位范围内,其峰位随电位正移而有所蓝移,至800 mV时移至1475 crn~,但谱峰强度变化不大.这可能 与偶联层内硫酮式结构(b)所占比例随电位正移而 增大,吡啶环芳香性降低所致的环中C=C键电子 定域化程度提高从而导致v(C—C)的蓝移有关. 与6(NH)/F,对称谱峰,而且在体系处于较正电位区 间时其不对称性表现尤为显著.这一不对称谱峰其 峰型、拉曼位移与强度随pH值的改变均表现出规律 性的变化,反映了吡啶环上氮原子质子化程度有相 应改变的实质. 。 细致的分析表明吡啶环上N—H 键的变形振动( (NH))出现在1205 cm 处,而1215 cm。。处出现的谱峰则对应于吡啶环上C—H键的面 内弯曲振动( (CH)). 具体到本文所讨论的体系,从其电化学现场测 定的SERS光谱可以看出,在0 V以负的电位范围内 4结论 在对金纳米粒子有序组装体系中4,4 .二硫联吡 啶单分子膜的SERS光谱表征分析的基础上,着重 讨论了在不同电位条件T4,4 .二硫联吡啶偶联单分 子层膜的SERS光谱变化特征,揭示了电极电位诱 可以观测到1206 cm 处归属为6(NH)的中等强度的 对称谱峰.这说明在此条件下4-MPy吸附分子应该 是以芳香性较强的、稳定的质子化结构(c)(图1)存 1608 Acta Phys.一Chim.Sin.2011 Vo1.27 导偶联层分子结构变化的微观机制. (1 SERS光谱对于判断PySSPy分子在所讨论 体系中的存在形式与吸附构型提供了直接的证据. 2004,20,4590 ;Xu, ;Li,B.;Fan,Y Spectrochimica Acta A (121 Hu,J;Zhao,B.2002,58,2827. ;Mizutani,F.;Yoshimoto,S.;Taniguchi,I. (13) Sawaguchi,Electrochim.Acta 2000,45,286 1. guchi,I.;Yoshimoto,S.;Yoshida,M.;Kobayashi,S.I.; f141 TaniSERS的光谱分析表明,在这一体系中 PySSPy分子 是以PyS・的形式直立吸附于金基底表面.而借助于 所形成的4.MPy SAMs表面吡啶环末端氮原子与金 纳米粒子间的相互作用,为AuNPs在该SAMs表面 Miyawaki,T.;Aono,Y;Sunatsuki,Y.;Taira,H.Electrochim Acta 2000,45,2843. 的有序组装提供了偶联的作用. (2 对这一体系电化学现场SERS光谱的分析, 阐明了作为偶联层的4-MPy SAMs,其结构随电位的 改变特征,即处于负电位区域(vs SCE)时该SAMs中 吡啶环主要以硫醇式结构存在、具有相对较高的芳香 性:当处于正电位区域,则主要以硫酮式结构存在,具 有相对较低的芳香性.这说明电位改变在一定程度上 可以诱导偶联分子在不同互变异构体『自J的转变. (31电位诱导吡啶环芳香性改变的SERS光谱 特征的重要表现在于1011与1093 cm~、1575与 1610 cm 这两对谱峰其相对强度的变化.通过研究 也揭示了这些光谱特征与4一MPy分子中吡啶环N 原子质子化或与金属原子键合对其电子结构影响的 SERS光谱表现具有可比性,在分子结构变化方面存 在着一定的内在联系.此外,进一步阐明了1205与 1215 cm 这一对谱峰其相对强度变化也与SAMs中 吡啶环芳香性及其质子化程度的改变存在对应关系. References (1)Ulman,A.Chem Rev,1996,96,l 533. 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