对电极表面的自组装膜（Self⁃Assembled Monolayer,SAM）的研究可为电极性能的优化及纳米光电器件的构建提供可能^{[1,2,3,4,5,6]}.文献中已有不少对于纳米颗粒与分子层修饰电极的研究，其中广泛运用的检测方法有循环伏安法、电化学阻抗谱、示差脉冲伏安法、恒电位阶跃法以及旋转圆盘电极法^[7,8,9].然而这些传统的电化学检测手段只能反映电极表面整体的电学响应及动力学信息，而无法给出电极局部，甚至是电极表面单纳米颗粒的电学信号响应^[2,7,8,9].

已有研究表明，表面等离激元共振成像技术（Surface Plasmon Resonance,SPR）与电化学技术的联用可以获得电极表面局部电流密度的信息^[10,11]，因此运用这种方法可以对覆盖在裸金电极或不同厚度自组装层修饰金电极表面的金纳米颗粒进行等离激元成像研究.本文运用这种实时、灵敏、免标记和高速的成像方法，使用电位调制下的等离激元成像手段检测单纳米颗粒的SPR图像，并研究不同厚度自组装膜对纳米颗粒成像的影响.

实验使用的金片是用磁控溅射技术将2 nm铬和47 nm金沉积在22 mm×22 mm载玻片上制得.每次实验前用去离子水和乙醇冲洗金片数次，氮气吹干待用.将清洁后的金片放入浓度为5 mmol·L^-1的正己硫醇（C₆）或正十八硫醇（C₁₈）的乙醇溶液中浸泡12 h，获得不同厚度自组装膜覆盖的金片用作工作电极.实验使用的电解质溶液为0.1 mol·L^-1 NaF水溶液.其中化学试剂正己硫醇（C₆）和正十八硫醇（C₁₈）购自阿拉丁有限公司，乙醇和氟化钠购自国药集团化学试剂有限公司，磷酸盐缓冲溶液购自Life Technologies公司，100 nm Au纳米颗粒购自Nanopartz公司.

使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的电化学池作为反应容器.所有电化学测量均使用三电极配置，铂丝为对电极（Counter Electrode,CE），Ag/AgCl为参比电极（Reference Electrode, RE），金片为工作电极（Working Electrode, WE）.用电化学工作站（CHI760D）扫描低电位区间（0~0.05 V）获得自组装膜（C₆或C₁₈）在电极表面的覆盖情况.为研究不同基底上金纳米颗粒的成像情况，首先用磷酸盐缓冲溶液将100 nm的金纳米颗粒沉降到电极表面，然后用恒电位仪（Pine Research Instrumentation）和波形发生器（Agilent Technologies）的联用装置给溶液体系施加振幅为±0.3 V、频率为5 Hz的正弦电压进行调制.

实验中使用倒置光学显微镜（Nikon Ti⁃E）进行成像分析.其中等离激元成像的光源为680 nm p偏振LED光，并采用60倍油浸物镜增大数值孔径，通过CCD照相机（Pike 032B, Allied Vision Technologies）采集纳米颗粒的等离激元图像.用原子力显微镜（Agilent Technologies AFM 5500）研究裸金及硫醇修饰的金电极表面状态.实验中的AFM图像是在接触模式下用金涂覆的氮化硅探针在空气相中扫描获得，扫描速率为每秒一行.实验数据通过编写的MATLAB代码和Image J软件进行图像分析后得到.本实验运用表面等离激元共振成像技术对单个纳米颗粒进行成像，同时研究了不同厚度自组装层对单个纳米颗粒成像的影响.

电位（ΔV）控制的等离激元成像技术由基于表面电荷密度震荡（Δσ）引起的表面等离激元共振角（Δθ）调制.共振角Δθ正比于表面电荷密度的变化Δσ，可以通过局部等离激元光学成像获得SPR角度（Δθ）的AC部分，还可以同步获得SPR角度的DC部分^[12,13].这种方法可以对不同基底上的金纳米颗粒进行成像分析.图1展示了实验装置及实验原理，一束波长为680 nm的p偏振光入射到沉积有金纳米颗粒的金电极表面，同时CCD相机对反射光的捕获可以得到SPR角度的信息.通过正弦电位的调制，采集的图像可以同时进行SPR信号DC和AC部分的分析.

如图1所示，当工作电极为裸金时，体系可以等效为溶液电阻（R_S）、双电层电容（C_d）及双电层电阻（R_p）组成的电路^[13].体系施加的正弦调制电位可以改变裸金基底和金纳米颗粒表面电荷密度，引起SPR角度的变化，从而获得SPR光学信号随电位调制变化的信息^[13,14].当金片电极表面修饰自组装膜时，体系的等效电路发生改变.当修饰的自组装膜较薄时（如正己硫醇，厚度约为1.0 nm），部分金纳米颗粒可以接触到金电极表面，使得金纳米颗粒的SPR光学信号与金片基底一样随电位调制发生规律性震荡，从而获得AC及DC部分的信号.这种情况下体系可以等效为溶液电阻（R_S）、双电层阻抗（C_d及R_p）以及短链烷硫醇自组装薄膜本身电阻（R_thiol）形成的串联电路.如果修饰的自组装膜厚度较大（如正十八硫醇，厚度约为2.5 nm），自组装膜则隔绝了金电极与金纳米颗粒，其在电路中可视为一个电容器（C_thiol）和电阻（R_thiol）并联.由于自组装膜自身阻抗较大，外加电位无法引起金纳米颗粒SPR信号的改变.其等效电路可视为溶液电阻（R_S）、双电层阻抗（C_d及R_p）以及长链烷硫醇自组装膜本身阻抗（C_thiol及R_thiol）形成的串联电路.因此，可以利用电荷密度改变引起的金纳米颗粒SPR信号的差异来研究不同自组装层的影响.

图2是裸金、正己硫醇以及正十八硫醇修饰的金电极表面原子力显微镜表征图，由图可见，裸金表面粗糙度较小，高度(1.0±0.80) nm，分布较为均匀.正己硫醇修饰后的金电极表面粗糙度增大，高度(1.5±1.0) nm.正十八硫醇修饰的电极表面粗糙度进一步增大，高度(2.3±1.5) nm.这表明金电极表面形成的自组装膜随烷基链长的增大，表面粗糙度也会增加.

为了进一步验证自组装膜的形成，并计算电极表面覆盖率，实验扫描了不同电极表面在0~0.05 V的电压范围下的循环伏安曲线（图3）.根据电容公式C=εSd可以计算出硫醇分子覆盖率为100%时的理论电容C₁，其中ε为介电常数，S为电极面积，d为分子距离.由循环伏安曲线可计算得到裸金表面的电容C₀和修饰后的电极表面实际电容C.假设硫醇分子在金片电极表面的覆盖率为A，根据式(1)可计算出不同自组装膜在金电极表面的覆盖率：

通过计算得到正己硫醇和正十八硫醇修饰的金电极覆盖率分别为92.3%和97.5%.由此

可知，金片电极表面形成了较为致密且形态良好的自组装膜.

图4为直径100 nm金纳米颗粒的接触式AFM图像表征.由图4可知，实验所用的金纳米颗粒直径较为均匀，单个粒子的直径约为100 nm.

图5a、图5d和图5g分别为裸金、C₆和C₁₈修饰表面的金纳米颗粒DC SPR图像.Fang et al^[15]和Yu et al^[16]已经解释了纳米颗粒的SPR图像呈现抛物线形状的原因.图5b、图5e和图5h为相应时间上的二维快速傅里叶变换（2D Fast Fourier Transform, 2D FFT）图像（AC信号）.对整个电极表面沉积有金纳米颗粒的体系进行电位调制后，从裸金及正十八硫醇修饰电极表面的二维FFT图像中几乎难以区分纳米颗粒区域与基底区域，而正己硫醇修饰的电极表面纳米颗粒区域与基底区域可看出明显差异.在对裸金电极进行电位调制时，施加在基底与金纳米颗粒的电位一致，可将其看作一个电极整体，两者都有较大SPR信号变化，因此无法区分两个区域.而对于正十八硫醇修饰的金片电极，由于自组装膜过厚，隔绝了金电极与金纳米颗粒，因此金纳米颗粒SPR信号不随电位调制发生变化.对于正己硫醇修饰的电极表面，由于自组装膜厚度较小，因此施加电位时，纳米颗粒可以部分接触到金电极表面，从而导致背景信号和纳米颗粒信号的不同，将纳米颗粒与基底区分开来.此结果证明，可以利用SPR成像技术研究不同厚度的自组装膜对单纳米颗粒等离激元成像的影响.图5c、图5f和图5i表明纳米颗粒区域SPR信号与施加的电位随时间变化的曲线.由图可知，裸金和正己硫醇修饰表面的金纳米颗粒对电位有响应，而正十八硫醇修饰表面的金纳米颗粒对电位几乎无响应.进一步验证了上述实验结论的可靠性.

本文提出运用电位调制与表面等离激元共振成像联用技术来研究金纳米颗粒成像特点，详细介绍了该方法的工作原理，并分析了裸金及两种不同厚度自组装层（正己硫醇和正十八硫醇）修饰的电极对纳米颗粒SPR成像的影响.该技术通过对单个纳米颗粒SPR图像（DC信号）以及正弦电位调制下SPR信号强度变化（AC信号）的检测，一方面解决了传统电化学无法进行电极表面局部研究的缺点，另一方面也提供了一种免标记的快速成像方法.研究结果表明，当金电极表面不修饰或者修饰的自组装膜厚度较小时，纳米颗粒的SPR信号会随着调制电位的改变而发生变化；当修饰的自组装膜厚度较大时，实验无法观察到纳米颗粒区域SPR信号随施加电位的变化.这表明较厚的自组装层可以完全隔绝纳米颗粒，使其表面的SPR信号不受电位调制.通过分析二维快速傅里叶变换的结果，发现只有当电极表面修饰厚度较小的自组装膜时，纳米颗粒区域与基底区域之间才会显示出强度差异.这一结论说明通过修饰较薄的自组装层可以屏蔽电位调制引起的背景SPR信号变化,通过这种方法可以单独提取出电极表面纳米颗粒的响应信号.综上所述，本文验证了在电位调制下，单个纳米颗粒的等离激元强度差异，并解释了自组装层修饰对纳米颗粒SPR成像的影响.