论文部分内容阅读
宽光谱表面等离子体共振(SPR)传感器具有时间分辨率高、动态范围宽、免标记等优点，适用于原位分析薄膜生长过程和实时探测生化物质，是一种强有力的表界面分析工具。本论文一方面利用宽光谱SPR传感器对硫堇的电聚合成膜过程进行了跟踪分析，并对聚硫堇膜电化学氧化还原反应过程伴随的光学特性变化进行了原位研究;另一方面通过利用四氟乙烯覆盖SPR传感芯片，实现了水中苯并芘(BaP)的无参比可重复测量。论文取得的主要研究成果如下: 1.介绍了SPR技术的理论背景，对电化学表面等离子体共振(EC-SPR)联用技术的原理以及利用菲涅尔公式进行仿真计算的理论模型行了详细的介绍。 2.将Kretschmann结构的宽光谱SPR传感器与电化学工作站相结合，形成了电化学-SPR联用测试装置，利用此装置原位跟踪分析硫堇在金膜表面的电化学聚合成膜过程。在固定入射角下观测到SPR共振波长随着循环伏安扫描圈数的增加线性红移，表明聚硫堇膜的生长是匀速的;扫描100圈后共振波长红移总量为96.6nm，然后利用聚硫堇折射率的文献值(1.45)对该实验结果进行拟合，得出聚硫堇膜的厚度约为71纳米。 3.利用自建的电化学-SPR联用装置原位分析了聚硫堇膜电化学氧化还原过程伴随的光学特性变化。聚硫堇膜在酸性缓冲液中的电化学活性很高，其电化学反应过程受扩散控制，在一个完整的循环伏安扫描过程中SPR共振波长的变化完全可逆，说明聚硫堇膜的氧化反应和还原反应是一对可逆的过程。聚硫堇膜在还原过程电子密度逐渐增大，折射率逐渐降低，使得SPR共振波长缓慢蓝移;相反地，在氧化过程中其电子密度逐渐减小，折射率逐渐升高，使得SPR共振波长缓慢红移;聚硫堇处于氧化态时的SPR共振波长大于其在还原态的数值，说明聚硫堇膜氧化态的折射率比还原态的折射率高。 4.利用5μm厚Teflon膜覆盖SPR传感芯片，将等离子体消逝场约束于Teflon膜内，从而构成只对Teflon膜折射率变化敏感的无参比SPR传感器。基于Teflon膜良好的疏水性和多孔性以及非极性苯并芘(BaP)分子的高折射率(n=1.887)，水中的BaP分子能够在Teflon膜内有效富集，进而导致显著的膜折射率变化。借助这种变化，宽光谱SPR传感器能够探测浓度不低于20nmol·L-1的BaP。当BaP浓度在20nmol·L-1～100nmol·L-1之间时，共振波长变化量随着浓度的增大而线性增加。传感器的响应时间仅约6s，表明BaP分子在Teflon膜中的扩散速度很快。传感器在水中时的恢复时间约30s，暴露到空气中时需要约450s。由于BaP分子在Teflon内的富集是可逆的，SPR传感芯片可以多次使用，同一溶液样品测试结果的相对标准偏差小于10％。