贵金属纳米粒子参与的化学发光

【摘要】： 论文首先综述了化学发光的研究现状、纳米材料的制备和性质，以及纳米材料在化学发光中的应用。虽然化学发光具有多年的研究历史，但一直以来，有关化学发光的研究局限于分子和离子水平。最近，纳米粒子在化学发光中的应用研究受到了人们的关注。目前已经发现纳米粒子可以作为化学发光反应的催化剂、还原剂、发光体和能量接收体参与化学发光。但纳米粒子催化的化学发光的研究仅限于用纳米粒子取代一些常规化学发光的催化剂，而纳米粒子作为化学发光反应的还原剂仅有一篇报道。基于此，本文选择了金、银、铂等贵金属纳米粒子，从新的角度将其设计为化学发光反应的催化剂和还原剂，构建了新的化学发光反应体系，研究了这些化学发光新体系的行为、规律、机理和分析应用潜力。主要研究内容如下： 1．发现纳米银能够增强鲁米诺和过氧化氢之间的化学发光反应。与以前报道的纳米金和纳米铂相比，纳米银具有更强的增强能力。向过氧化氢和纳米银的混合物中加入超氧基阴离子捕获剂氮蓝四唑(NBT)，证实了纳米银能够催化过氧化氢分解产生超氧基阴离子。超氧化物歧化酶(SOD)能够抑制鲁米诺—过氧化氢—纳米银之间的化学发光，表明超氧基阴离子参与了化学发光反应。提出其化学发光机理为：纳米银能够催化过氧化氢分解产生羟基自由基和超氧基阴离子；羟基自由基能够氧化鲁米诺生成鲁米诺自由基；鲁米诺自由基与超氧基阴离子或过氧化氢反应产生化学发光。卤素离子因为能够吸附在纳米银表面，降低其催化能力，从而抑制化学发光。其抑制能力按如下顺序：I~-＞Br~-＞Cl~-。化学发光强度—碘离子浓度曲线上有一明显的拐点，拐点处碘离子浓度对应于单层覆盖纳米银所需的碘离子浓度。基于此，提出了一个碘离子在纳米银上的化学吸附模型。在20种天然氨基酸中，半胱氨酸、组氨酸、甲硫氨酸、酪氨酸和色氨酸能够吸附在纳米银表面与鲁米诺竞争氧化性物种，从而抑制该体系的化学发光。其中，半胱氨酸具有特别强的抑制能力，所以该体系对选择性检测半胱氨酸具有应用潜力。 2．发现在纳米金存在下，鲁米诺能够和硝酸银反应产生化学发光，发光最大波长为425nm。紫外—可见吸收光谱和X射线光电子能谱显示由于纳米金的催化作用，纳米银被鲁米诺还原为金属银，生成的银沉积在纳米金表面形成金核银壳的复合结构纳米粒子。化学发光光谱表明发光体是3-氨基邻苯二甲酸根离子。提出发光机理为：在纳米金催化下鲁米诺被硝酸银氧化生成鲁米诺自由基；鲁米诺自由基与氧气反应产生化学发光。发光动力学显示该体系的化学发光反应在两秒内就可以完成。实验还表明具有不同银厚度的金核银壳纳米粒子也能够催化该发光反应，但其催化活性比纳米金弱得多。根据这些结果，提出了一个催化反应模型：当纳米金注射进硝酸银和鲁米诺的混合溶液中时，在纳米金的强催化作用下，硝酸银被鲁米诺迅速还原，伴随着强的鲁米诺化学发光。生成的金属银沉积在纳米金表面，导致其催化能力迅速降低，从而发光强度迅速下降，金核银壳结构生长变缓。 3．发现在吸附剂如碘离子、半胱氨酸、巯基乙酸、巯基丙酸和硫脲等的存在下，贵金属纳米粒子金、银和铂能够还原光泽精产生化学发光。以光泽精—纳米银—碘化钾为模型体系，研究了化学发光过程。紫外—可见吸收光谱和X射线光电子能谱显示当纳米银与碘化钾溶液混合时，碘离子能够吸附在纳米银表面。对发光反应产物用X射线衍射和荧光光谱进行表征。结果显示纳米银在反应后完全转化为碘化银，而光泽精被还原为N-甲基吖啶酮。根据能斯特方程，因为难溶化合物碘化银的形成，碘离子能够降低银的氧化电位。因此，光泽精能够被纳米银和碘化钾共同还原为光泽精自由基；光泽精自由基与溶解氧反应产生化学发光。其它的吸附剂如半胱氨酸、巯基乙酸、巯基丙酸和硫脲也能够降低银的氧化电位，从而导致光泽精的化学发光。 4．在循环伏安条件下，研究了碱性水溶液中分散有纳米铂时，光泽精在玻碳电极上的电致化学发光行为。在-0.65V和-2.0V(vs SCE)处发现了两个电致化学发光峰ECL-1和ECL-2。其中ECL-1是常见的光泽精电致化学发光峰，在没有纳米铂时也可以观察到；在析氢电位产生的ECL-2是一个新的电致化学发光峰。当增加溶液中纳米铂的浓度时，ECL-1强度降低，ECL-2强度增加。研究了不同条件下电致化学发光峰的性质，提出了ECL-2产生的机制：析氢过程中产生的氢原子吸附在纳米铂上(记为H_(ads)Pt~0)；H_(ads)Pt~0还原光泽精生成光泽精自由基；光泽精自由基和H_(ads)Pt~0能够还原氧气生成超氧基阴离子；超氧基阴离子和光泽精自由基反应生成激发态的N-甲基吖啶酮；N-甲基吖啶酮回到基态时产生最大值在495nm的化学发光。不同方法合成的纳米铂对ECL-2的产生具有不同程度的催化作用。纳米钯与纳米铂相似能够催化产生ECL-2，而纳米金不能。

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TB383.1